Квантовая информация — это информация о состоянии квантовой системы. Является основным предметом изучения квантовой информатики — раздела науки на стыке квантовой механики и теории информации, включающей вопросы квантовых вычислений и квантовых алгоритмов, квантовых компьютеров и квантовой телепортации, квантовой криптографии и проблемы декогеренции.
Базовым понятием классической теории информации является бит, принимающий значения 0 или 1. Квантовая информация представляется в кубитах. Кубиты могут находиться в состоянии, являющемся суперпозицией 0 и 1. Несколько кубитов могут быть в запутанном состоянии (англ. ). В квантовой теории информации изучаются общие принципы и законы, управляющие динамикой сложных квантовых систем (например, квантовых компьютеров).
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 июня 2023 года; проверки требует 1 правка.
Квантовая информатика включает в себя вопросы квантовых вычислений и квантовых алгоритмов, физику квантовых компьютеров, квантовой криптографии и квантовой теории информации, непосредственно касается оснований квантовой теории, в частности, проблемы измерений и описания декогерентности. Важнейшим физическим явлением, которое изучается в квантовой информатике, являются запутанные квантовые состояния и порождаемые ими нелокальные свойства квантовой физики многих тел.
Базовым понятием классической теории информации является бит, принимающий значения 0 или 1. Квантовая информация представляется в кубитах (англ. ). Кубиты могут находиться в состоянии, являющемся суперпозицией 0 и 1. Несколько кубитов могут быть в запутанном состоянии (англ. ).
Важнейшие приложения квантовой информатики:
Его превосходство, несходство и недосходство в сравнении с классическим
Время на прочтение
«Квантовые вычисления – это ни что иное, как совершенно новый способ использования природы» (Дэвид Дойч)
В представлении гуманитария квантовая физика – чисто теоретическая наука, изучающая устройство мира на самом фундаментальном уровне и бесконечно далёкая от нашей жизни. Лишь немногие знают, что мы уже пользуемся квантовыми технологиями каждый день. Без квантовой физики не было бы современной электроники (компьютеров, смартфонов, планшетов, бытовой техники), высокоскоростного интернета и спутниковой навигации. Но кремниевые полупроводники, интегральные схемы, компакт-диски, флеш-память, оптоволоконные кабели, светодиоды, солнечные панели, МРТ, электронные микроскопы, лазеры, атомные часы, ядерное и термоядерное оружие, атомные электростанции, даже не освоенный ещё термоядерный синтез – всё это продукты первой квантовой революции, теоретические основы которой были заложены ещё в 20-е-30-е гг. X X века. Теперь же пришло время второй квантовой революции, вызванной появлением технологий, позволяющих манипулировать отдельными квантовыми частицами и управлять их состоянием. Локомотивом этой революции станет квантовый компьютер, о котором и пойдёт речь в данной статье.
Для непосвящённых квантовый компьютер – это что-то загадочно-магическое, а для недопонявших это не более, чем улучшенная версия обычного компьютера, обгоняющая его за счёт миниатюризации чипов и параллелизма вычислений. Пожалуй, все слышали о законе Мура и о том, что мы подходим к физическим пределам по скорости и вычислительной мощности процессоров, ведь количество транзисторов на чипе не может увеличиваться бесконечно. И тут естественно напрашивается мысль, что как только размер транзистора приблизится к размеру атома, классический компьютер плавно эволюционирует в квантовый, и это приведёт к технологическому прорыву. Начитавшись заголовков новостей, квантовые мистики уже представляют себе светлое квантовое будущее, в котором человечество пользуется сверхбыстрыми и дешёвыми квантовыми компьютерами, квантовыми смартфонами и квантовым интернетом, добывает из вакуума бесплатную энергию, мгновенно телепортирует информацию, энергию или материю на любое расстояние, бесконтактно манипулирует предметами и даже владеет телепатией. Кое-кто даже утверждает, что всё это было известно древним сверхцивилизациям, а мы теперь переоткрываем изобретённые ими технологии. Ещё есть закоренелые скептики, которые до сих пор твердят, что квантовый компьютер физически невозможен. На фоне этого шума не так просто найти источник, где бы доступным языком объяснялось, чем в действительности является квантовый компьютер.
Квантовый компьютер – это машина, использующая уникальные квантово-механические эффекты (в частности интерференцию) для выполнения особых видов вычислений, которые даже в принципе невозможно выполнить ни на каком классическом компьютере. Возможности квантовых компьютеров изучает особый раздел теоретической физики – квантовая информатика. Она позволяет прояснить на практике смысл таких процессов, как декогеренция, измерение и квантовая запутанность, не углубляясь в сложную математику и не занимаясь философствованием. В принципе на языке квантовых вычислений можно объяснить всю квантовую механику, если рассматривать состояние элементарной частицы как кубит, а любое физическое взаимодействие как операцию по обработке квантовой информации. Тогда квантовым компьютером можно назвать любую достаточно изолированную систему, в которой частицы взаимодействуют друг с другом, но оказывают минимальное воздействие на окружающую среду.
Разница между классическим битом и кубитом
Первые модели квантовых компьютеров были предложены в начале 80-х гг. В 1980 г. Пол Бениофф использовал уравнение Шредингера для описания машин Тьюринга, а в 1981 г. Ричард Фейнман прочитал доклад на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, отметив, что моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом невозможно, но с этой задачей мог бы справится квантовый симулятор – устройство, моделирующее одну квантовую систему с помощью другой. Учёный сформулировал и обосновал ключевой принцип работы такого симулятора: «компьютер должен делать то же самое, что и природа», т.е. быть подобным природе.
Превосходство квантового компьютера по объёму памяти
Чем же отличается квантовый компьютер от классического?
Например, нам нужно разложить число на простые множители. Для классического компьютера есть несколько способов решить задачу, самый очевидный из которых – перебор делителей, т.е. по очереди делить это число на каждое натуральное число начиная с 2, пока оно не разделится без остатка. На выходе алгоритм даст правильный ответ – два множителя. Квантовый компьютер работает совсем не так. Сначала все его кубиты инициализируются в нулевом состоянии. Затем запускается алгоритм Шора, состоящий из четырёх шагов. На первом шаге вычисления часть регистра кубитов переводится в суперпозицию состояний, на втором шаге с помощью унитарного преобразования состояния первого регистра запутываются с «нулевыми» состояниями второго регистра, на третьем шаге осуществляется квантовое преобразование Фурье – происходит интерференция между квантовыми состояниями, а на четвёртом шаге выполняется измерение первого регистра, которое даёт на выходе определённое значение (0 или 1) каждого кубита. Сами по себе эти биты случайны и никакой информации не несут, если наблюдатель не знает алгоритма, по которому проводилось вычисление. Правильный ответ записан в исходной суперпозиции, но извлечь информацию о ней можно только по статистическому распределению вероятностей. Чтобы узнать вероятность получения того или иного результата, исключив возможные ошибки, вычисление нужно провести много тысяч раз, что сводит все преимущества квантового компьютера на нет. Однако преобразование Фурье позволяет выяснить, как часто в суперпозиции встречается правильный ответ, не прибегая к многократному повторению вычисления.
В результате измерения кубит становится классическим битом (0 или 1), но по статистике многих измерений можно узнать об исходной суперпозиции
Квантовое вычисление часто преподносят как параллельную обработку данных всеми возможными состояниями кубитов или даже как вычисление в параллельных вселенных. Отчасти это так, но, как мы показали выше, квантовые вычисления – не просто параллельный перебор всех вариантов ответа, а ещё и управление амплитудами вероятностей получить тот или иной ответ. С точки зрения квантовой теории, кубит – это двумерный вектор состояния в гильбертовом пространстве. Чтобы не усложнять объяснение математикой, можно условно представлять кубиты как волны вероятностей. Но если в классической теории вероятностей вероятность любого случайного события всегда положительна, то в квантовой физике амплитуда волновой функции является комплексной величиной и может быть как положительной, так и отрицательной. При «столкновении» эти волны будут интерферировать: гасить друг друга, если находятся в противофазе, и усиливать, если приходят в одной фазе. Если один и тот же результат можно получить при положительной и отрицательной амплитуде, то эти амплитуды будут деструктивно интерферировать и при измерении давать 0.
Конструктивная и деструктивная квантовая интерференция
С точки зрения многомировой интерпретации, квантовый компьютер действительно вычисляет одновременно во многих вселенных. И если в этом компьютере 300 кубитов, это значит, что в его работу вовлечено 2300 параллельных миров. Но здесь нужно учитывать, что речь идёт о вселенных, неразличимых между собой во всём, за исключением состояния данного квантового компьютера. Эти вселенные делятся в пропорции, соответствующей распределению вероятностей значения кубита по правилу Борна. Когда вселенные интерферируют, они снова становятся неотличимыми, т.е. доля вселенных с правильным ответом увеличивается, а доли вселенных с неправильными ответами уменьшаются. Отличимые вселенные, в которых компьютер выполняет другое вычисление или вообще выключен, не интерферируют с нашей и потому не влияют на результат. На выходе квантовый компьютер запутывается с измерительным прибором, что приводит к расщеплению миров на отличимые «ветви» в соответствии с итоговой мерой, о которой мы узнаём путём статистического подсчёта результатов многих вычислений. Кому-то такая хитроумная схема ветвления миров может показаться необоснованной. Но, в отличие от ММИ, одномировые интерпретации квантовой механики не объясняют, откуда в нашей вселенной, состоящей примерно из 1080 атомов, берутся вычислительные ресурсы для одновременного осуществления 2300 операций.
Примерно так можно представить ветвление изначально неотличимых вселенных на отличимые в соответствии с вероятностной мерой
Если вы мечтаете в скором времени поменять свой классический компьютер или смартфон на квантовый, придётся вас немного расстроить. Дело в том, что для работы квантового компьютера необходимы особые условия. Чтобы добиться состояния когерентной суперпозиции, нужно полностью изолировать систему кубитов от окружающего мира и охладить её до сверхнизкой температуры. Пока это возможно только в лаборатории с использованием сложного оборудования или в специальном холодильнике, в который опускают «люстру» из проводов и чипов с квантовым процессором в самом низу. И чем больше в квантовом компьютере кубитов, тем труднее удержать их в суперпозиции. Основным препятствием является декогеренция – частицы стремятся запутаться со средой и передать информацию во внешний мир. Последнее время специалисты активно работают над устранением декогеренции, но пока им удавалось вводить в чистое квантовое состояние не больше нескольких десятков кубитов и поддерживать их в суперпозиции доли секунды.
И как всё это уместить в смартфоне?
Термин «квантовое превосходство» был придуман Джоном Прескиллом в 2012 г. Квантовое превосходство означает проведение вычисления, которое невозможно провести на классическом компьютере за разумное время. Его следует отличать от квантового преимущества – способность квантового компьютера выполнить обычное вычисление быстрее, чем классический компьютер. В принципе работу квантового компьютера можно симулировать на обычном компьютере. Но, если в квантовом компьютере больше 50 кубитов, которые дают 250 состояний, с этим не справится ни один современный суперкомпьютер. Однако возможность запутать 50 кубитов ещё не означает квантового превосходства. По расчётам, чтобы квантовый компьютер сравнился по функциональности с классическим, нужно порядка 1 млн. кубитов. Также необходимо учитывать, что квантовый компьютер может вычислять с огромным множеством состояний, но не может выдавать много классических данных.
Теперь давайте посмотрим, каковы реальные достижения квантовых компьютеров.
1998 – создан первый 2-кубитный квантовый компьютер
2001 – IBM на 7-кубитном квантовом компьютере разложила на множители число 15 по алгоритму Шора.
2012 – в Университете Калифорнии разложено на множители число 21 по алгоритму Шора.
2016 – Google смоделировал на 9-кубитном квантовом компьютере молекулу водорода.
2019 – IBM представила первый в мире коммерческий квантовый компьютер – 20-кубитный Q System One.
2019 – 54-кубитный квантовый процессор Sycamore от Google выполнил за 200 секунд вычисление, на которое классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 тыс. лет (однако IBM оспорила этот результат, заявив, что суперкомпьютер Summit способен сделать это за 2.5 дня).
2020 – фотонный квантовый компьютер Цзючжан, разработанный под руководством Пань Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая, выполнил за 200 секунд расчёт, который занял бы у классического суперкомпьютера 1.5 млрд лет.
2023 – в свободный облачный доступ поступает IBM Quantum System Two с 433 кубитами.
Квантовый компьютер может быть полезен для следующих типов вычислений:
1) Квантовое моделирование сложных систем: например, моделирование (но не предсказание) погоды, решение квантовой проблемы трёх тел, анализ социальной динамики;
2) Квантовая химия и фармакология: вычисление свойств молекул без необходимости их синтеза и моделирование химических реакций без необходимости их запуска;
3) Квантовая метрология: задачи по обеспечению высокой точности измерений квантовых свойств объектов;
4) Квантовое машинное обучение: моделирование нейросетей (как искусственных, так и биологических), обработка и структурирование больших данных при помощи квантовой версии метода главных компонент (QPCA), поиск аномалий, защита от мошенничества, составление алгоритмов для систем рекомендаций;
5) Финансы: поиск оптимальных решений для инвесторов, составление портфелей ценных бумаг, предсказания стоимости акций и курсов валют;
6) Логистика: поиск самых коротких маршрутов (задача коммивояжёра);
7) Квантовая криптография: факторизация, надёжная защита от перехвата сообщения.
Пожалуй, больше всего шума наделали предсказания о скором крахе всей современной криптографии. Сообщения в мессенджерах, электронная почта, блокчейн, банковские операции, государственные сервисы, документооборот крупных компаний, системы связи у военных и спецслужб – во всех этих сферах используются протоколы шифрования криптосистемы RSA, разработанной в 1978 г. Рональдом Ривестом, Ади Шамиром и Леонардом Адельманом. R SA – система криптографии с открытым ключом, основанная на асимметрии умножения и разложения на множители. Перемножить два больших числа – задача простая, а вот задача найти два простых множителя является труднообрабатываемой для любого классического компьютера. По мере увеличения числа сложность его факторизации растёт экспоненциально. Чтобы разложить на множители 250-значное число, современному суперкомпьютеру понадобится работать сотни тысяч лет. Вы можете закодировать сообщение с помощью 250-значного числа и оставить этот ключ в открытом доступе, поскольку расшифровать сообщение сможет только получатель, которому известны два 125-значных множителя (закрытый ключ). Поэтому до недавних пор технологии шифрования с открытым ключом считались очень надёжными. Пока не появился квантовый компьютер.
Действительно, полнофункциональный и устойчивый к декогеренции квантовый компьютер чрезвычайно эффективен в задаче разложения чисел на множители. Он может поставить под угрозу всю информационную инфраструктуру нашей цивилизации. Оценки его появления варьируются в пределах от 10 до 100 лет. Поэтому уже сейчас многие корпорации и спецслужбы сохраняют секретные данные по принципу SNDL (store now, decrypt later –«сохраняй сейчас – расшифруешь потом»). Пока Агентство национальной безопасности США (NSA) только рекомендует переходить на защищённые от квантовых компьютеров алгоритмы постквантовой криптографии, а Конгресс США в январе 2023 г. поручил всем госслужбам сделать это в обязательном порядке. К счастью, противоядие от квантового компьютера даёт сама квантовая физика, а именно – квантовая криптография, о которой я расскажу в следующей статье.
Итак, можно сделать вывод, что квантовый компьютер никогда полностью не заменит классический. Он практически бесполезен для большинства вычислений, которые может выполнять обычный компьютер. Но он эффективен тогда, когда нужно перебрать множество вариантов и выбрать один правильный. Пока заявления о достижении квантового превосходства ничем не обоснованы, поскольку квантовый компьютер способен выполнять лишь строго определённые вычисления. На текущем уровне технологий он не сможет стать универсальным и превзойти классический компьютер по ряду параметров. Скорее он будет использоваться как дополнение к обычному компьютеру, подключаемое при необходимости. Дальнейшее развитие технологии предсказать практически невозможно, поскольку сфера её применимости расширяется по мере возникновения новых проблем и вычислительных задач. Но значимость квантового компьютера для понимания фундаментальных законов физики трудно переоценить. В конце концов, всю нашу Вселенную можно рассматривать как гигантский квантовый компьютер, вычисляющий сам себя. Безусловно, эта идея заслуживает самостоятельного обзора. А пока я продолжу обзор технологий второй квантовой революции. В следующей статье вы узнаете об эффектах квантовой телепортации, туннелирования и контрфактических вычислений.
Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На начало 2020-х годов практически были реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированные алгоритмы небольшой сложности.
3 бита обычного регистра против 3 кубитов квантового
История квантовых вычислений началась в начале 1980-х годов, когда физик Пол Бениофф предложил квантово-механическую модель машины Тьюринга в 1980 году.
Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растёт как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для . Поэтому Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.
Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний (обозначения Дирака), то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии — со своей комплексной амплитудой . Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией» данных классических состояний и обозначается как
Квантовое состояние может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:
Если классические состояния есть пространственные положения группы электронов в квантовых точках, управляемых внешним полем , то унитарная операция есть решение уравнения Шрёдингера для этого потенциала.
Измерение есть случайная величина, принимающая значения с вероятностями соответственно. В этом состоит квантовомеханическое правило Борна. Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения нам непосредственно недоступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной шрёдингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит так называемый коллапс волновой функции , физическая природа которого до конца не ясна. Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового компьютера (см. физические реализации квантовых компьютеров).
Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние квантового процессора измеряется, что и даёт искомый результат вычисления.
Основная статья: Кубит
Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространство состояний такого квантового регистра является 2L-мерным гильбертовым пространством. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубитов фактически задействует одновременно 2L классических состояний.
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, и так далее.
Имеется кубит в квантовом состоянии
В этом случае вероятность получить при измерении
В данном случае при измерении мы получили 0 с вероятностью 0,64.
В результате измерения кубит переходит в новое квантовое состояние , то есть при следующем измерении этого кубита мы получим 0 с единичной вероятностью (предполагается, что по умолчанию унитарная операция тождественна; в реальных системах это не всегда так).
Если измерить только первый кубит квантовой системы, находящейся в состоянии , получится:
В первом случае измерение даст состояние , во втором — состояние .
Результат такого измерения невозможно записать как вектор в гильбертовом пространстве состояний. Такое состояние, в котором участвует наше незнание о том, какой же результат получится на первом кубите, называют смешанным состоянием. В нашем случае такое смешанное состояние называют проекцией исходного состояния на второй кубит и записывают в виде матрицы плотности вида , где матрица плотности состояния определяется как .
Таким образом, одна операция над группой кубитов вычисляется сразу над всеми возможными её значениями, в отличие от группы классических битов, когда может быть использовано лишь одно текущее значение. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.
Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления.
Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.
Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n битов памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически, например, квантовый алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов.
Основные квантовые алгоритмы:
Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках
Один кубит можно представить в виде электрона в двухъямном потенциале, так что означает нахождение его в левой яме, а — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: . Зависимость его от времени есть зависимость от времени амплитуд ; она задаётся уравнением Шрёдингера вида , где гамильтониан имеет в силу одинакового вида ям и эрмитовости вид
для некоторой константы , так что вектор есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а — собственный вектор со значением (первое возбуждённое состояние). Никаких других собственных состояний (с определённым значением энергии) здесь нет, так как наша задача двумерная.
Поскольку каждое состояние переходит за время в состояние , то для реализации операции NOT (перехода и наоборот достаточно просто подождать время . То есть операция NOT реализуется просто естественной квантовой эволюцией кубита при условии, что внешний потенциал задаёт двухъямную структуру; это делается с помощью технологии квантовых точек.
Для реализации CNOT надо расположить два кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно друг другу и в каждой из них расположить по отдельному электрону. Тогда константа для первой (управляемой) пары ям будет зависеть от того, в каком состоянии находится электрон во второй (управляющей) паре ям: если ближе к первой, то будет больше, если дальше — меньше. Поэтому состояние электрона во второй паре определяет время совершения NOT в первой яме, что позволяет снова выбрать нужную длительность времени для реализации операции CNOT.
Эта схема очень приблизительная и идеализирована; реальные схемы сложнее, и их реализация представляет вызов экспериментальной физике.
Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 3 кубита: телепортируемый кубит и запутанная пара, один кубит которой находится на другой стороне. Отметим, что в результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится — это пример действия общего принципа невозможности клонирования — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация — замена этой операции.
Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических каналов связи. Таким образом можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из подсистем, удалённых на большое расстояние. Это позволяет построить системы связи, в принципе не поддающиеся прослушиванию (на отрезке между «квантовыми» устройствами).
Приложения к криптографии
Практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, именно поэтому такие системы переходит из ведения микроскопической физики в область статистической физики. Представляет ли система из N = 103÷105 квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда-либо научиться контролировать 10300 (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы? Мой ответ — нет, никогда.
Принципы физической реализации
Главные технологии для квантового компьютера:
Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:
На рубеже XX—XXI веков во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, в которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов).
В 2021 году группы китайских учёных под руководством Пань Цзяньвэя создали два прототипа квантовых компьютеров:
Адиабатические компьютеры D-Wave
В предыдущих статьях я кратко рассказал о предпосылках в развитии квантовой физики и информатике, которые привели к появлению квантовой информации и квантовым вычислениям как таковым. Сегодня же хотел рассмотреть подобным образом ещё одно направление, внесшее существенный вклад: теорию информации.