Квантовый компьютер буквально рвет в клочья классические представления об устройстве вычислительных систем, а заодно и наше сознание.
Сама мысль о том, что все возможные варианты вычислений уже известны (!) и надо только выбрать нужный, звучит как фантастика, сообщает российский сайт «Инженерные знания». Он утверждает, что речь идет о вполне научном подходе. Вот только физика в нем работает не обычная (ньютоновская), а квантовая. В ней многое кажется уже чем-то из области паранормальщины.
Принцип работы обычного полупроводникового компьютера построен на обеспечении логической цепочки. Она состоит из ряда «да» и «нет». Их взаимодействие выдает в результате работы алгоритма тоже цепочку «да» или «нет», представленных 0 и 1. Чтобы обеспечить их взаимодействие, используются транзисторы. Их взаимное соединение позволяет выстроить логику и создать ячейку памяти, а заодно и хранитель информации. Ноль или единица — это один бит.
Квантовый компьютер работает иначе. В основе его работы лежат принципы квантовой запутанности. Стандартный бит в значения 1 или 0 находится в квантовом компе между нулем и единицей. Это положение характеризуется квантовой физикой как «может быть» и названо уже не битом, а кубитом. Его состояние измеряется вероятностями, то есть гигантским количеством значений — от бесконечно минусовых до бесконечно плюсовых.
Квантовая запутанность — очень сложное понятие. Простыми словами, это означает, что пока одна физическая частица находится в одном состоянии, то другая связанная с ней частица повторяет ее состояние вне зависимости от расстояния между ними. Это явление давно обнаружено и описано, но внятного физического объяснения пока нет. Найдена лишь необъяснимая возможность спутанных частиц почти мгновенно выдавать результат вычислений.
Особенностей работы с такой техникой очень много. На ней сказывается любое внешнее воздействие, которое может грохнуть логическую схему. Именно поэтому системы подобного типа максимально изолированы от внешней среды, а прототипы новейших моделей квантовых компьютеров работают в специальных камерах при абсолютном нуле.
Загадка и в том, что когда квантовая запутанность вдруг нарушается, то кубиты в квантовом компьютере возвращаются в состояние битов и вместо миллионов комбинаций выдают лишь сотню вычислений, работая как полупроводники. Загадочна сама логика формирования квантового алгоритма, которая граничит с философией жизни. Квантовый компьютер не может дать точный ответ, а оперирует вероятностями. Сложнейшая задача программиста — найти «самую вероятную из вероятностей».
Простой пример. Вам надо дойти от своего дома до магазина, и ваш единственно правильный путь нанесен на подробную электронную карту, но на других ее аналогах проложены другие возможные, менее оптимальные дорожки. Получается, вам надо выбрать лучшую карту. Но если при пользовании обычным полупроводниковым компьютером вы сможете найти лучшую карту буквально на коленке, то квантовый комп значительно осложняет задачу — он мгновенно, но равнодушно выдаст множество подходов к магазину, в которых придется долго разбираться.
Естественно, в приведенном примере квантовый комп выглядит микроскопом для забивания гвоздей. Пусть так, но от примитивности рукой подать до завихрения мозгов. Например, сложно представить, но все же попытайтесь вообразить кубит во всех состояниях: он существует, не существует, возможно, существует или не существует. Это принципиально отличает кубит от бита.
Квантовый компьютер мгновенно перебирает все варианты цепи решения поставленной задачи. Ведь кубиты связаны между собой квантовой запутанностью, фантастически повышающей скорость вычислений. Сразу же строится длинная цепочка вероятного решения. Но человеку принять его невозможно — слишком велик объем информации.
Наблюдение или измерение состояния каждой частицы — инструмент управления алгоритмом. В итоге он может показать всю логическую схему, которую генерируют биты и кубиты при взаимодействии их состояний. Остается «всего ничего» — выбрать наиболее подходящее решение исходя из вероятностей последствий.
В этом огромная сложность эксплуатации квантовых компьютеров. Именно поэтому они хоть и работают мгновенно, но пока ориентированы на разработку всего одного объемного алгоритма. Выбор его вариантов требует от человека не только обширнейших математических, физических и технических, но и гуманитарных, биологических и других знаний.
Такой подход не только ломает железную логику построения компьютерного алгоритма, но и бьет по мировоззрению его разработчиков. Опять же попробуйте себе представить, оперируя только основными физическими знаниями, что физико-математическая частица находится сразу во всех состояниях. Прямо как пациент, который жив или мертв, возможно, жив или мертв, существует или его вообще нет (отсутствие — тоже информация!). Это покруче теории относительности Эйнштейна, предполагающей бесконечность пространства и времени в обе стороны.