Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном поле ось их вращения может быть направлена либо вверх, либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два состояния атома можно соотнести с 0 и 1.
Мощность цифрового компьютера напрямую связана с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом компьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы способны также вращаться в любой комбинации двух описанных положений. К примеру, можно получить состояние, в котором ось вращения атома 10 % времени направлена вверх, а 90 % времени – вниз (для краткости можно говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65 % времени вверх, а 35 % – вниз. Мало того, число вариантов вращения атома бесконечно. Это многократно увеличивает число его возможных состояний. Так что атом может нести в себе гораздо больше информации – не бит, а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх» и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному биту информации в каждый момент времени, что ограничивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты, обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт, что на атомном уровне объекты могут существовать одновременно во множестве состояний, называется суперпозицией. (Это означает также, что привычные законы здравого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются. В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться в двух местах одновременно, чего у более крупных объектов не бывает.)
Кроме того, кубиты могут взаимодействовать между собой, что для обычных бит невозможно. Это называется запутанностью. Если состояния цифровых бит независимы, то всякий раз, когда вы добавляете к системе очередной кубит, он взаимодействует со всеми предыдущими кубитами, то есть число возможных взаимодействий удваивается. Из этого следует, что квантовые компьютеры по своей природе экспоненциально мощнее цифровых компьютеров, – ведь каждый раз, когда вы добавляете очередной кубит, число взаимодействий удваивается.
К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры могут иметь в своем составе более 100 кубитов. Это означает, что они в 2>100 раз мощнее суперкомпьютера всего с одним кубитом.
Квантовый компьютер Sycamore компании Google, первым достигший квантового превосходства, способен обрабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный компьютер в подметки не годится подобному квантовому компьютеру.
Коммерческие и научные последствия всего этого громадны. Ставки при переходе от цифровой мировой экономики к экономике квантовой необычайно высоки.
Что ограничивает скорость квантовых компьютеров
Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам сегодня вывести на рынок мощные квантовые компьютеры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобретатель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, способный взломать любой известный шифр?
Проблему, с которой сталкиваются квантовые компьютеры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы необходимо расположить в точности так, чтобы они вибрировали в унисон. Это называется когерентностью. Но атомы – невероятно маленькие и чувствительные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение из внешнего мира – и когерентность батареи атомов может быть нарушена и весь расчет – погублен. Эта невероятная чувствительность и уязвимость и есть главная проблема квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион долларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?
