Квантовый компьютер
Квантовый компьютер опирается на принципы квантовой механики — суперпозицию, запутанность и интерференцию — чтобы выполнять вычисления иначе, чем классический компьютер. Основные компоненты и идеи - Кубит Классический бит = 0 или 1. Кубит может находиться в суперпозиции α|0⟩ + β|1⟩, где α и β — комплексные амплитуды, |α|^2 + |β|^2 = 1. При измерении кубит «коллапсирует» в 0 или 1 с вероятностями |α|^2 и |β|^2. - Суперпозиция Позволяет одному набору кубитов представлять одновременно множество классических состояний; это даёт параллелизм вероятностей, но не простой параллельный расчёт всех ответов. - Запутанность Несколько кубитов могут быть в едином состоянии, которое нельзя разложить на состояния отдельных кубитов. Изменение одного влияет на совместное состояние — это источник корреляций, недоступных классическому миру. - Квантовые гейты и унитарная эволюция Операции над кубитами реализуются унитарными матрицами (квантовыми гейтами), которые меняют амплитуды, сохраняя нормировку. Последовательность гейтов — квантовая схема, эквивалентная программе. - Интерференция Амплитуды путей могут усиливать или ослаблять друг друга. Алгоритмы специально конструируют гейты так, чтобы правильные ответы усиливались, а неправильные — разрушались интерференцией. - Измерение и получение результата В конце алгоритма выполняют измерение кубитов, получая классические биты. Результат вероятностен; часто алгоритмы повторяют вычисление многократно или используют схемы с высокой вероятностью успеха. Типичные реализации аппаратуры - Сверхпроводящие кубиты (Josephson junctions) — быстрые, масштабируемые подходы (Google, IBM). - Ионные ловушки — долгие времена когерентности, высокоточные гейты (IonQ, Honeywell). - Фотонные системы — кубиты в состоянии фотонов, работают при комнатной температуре. - Спиновые кубиты, точки квантовой точки и др. Проблемы и ограничения - Декогеренция Взаимодействие с окружением разрушает квантовые состояния, требуется низкая температура и изоляция. - Ошибки и квантовая коррекция ошибок Нужно много физических кубитов для одного логического кубита; кодирование и коррекция затратны. - Масштабирование Трудно увеличивать число кубитов при высокой точности и связанности. Когда квантовый компьютер дает преимущество - Специализированные задачи: факторизация больших чисел (алгоритм Шора), ускоренные поиск и оптимизация в некоторых случаях (алгоритм Гровера), моделирование квантовых систем, квантовая химия, материалы, и некоторые задачи линейной алгебры. - Не все задачи ускоряются, многие практические алгоритмы остаются классическими. Квантовый компьютер кодирует информацию в кубитах, управляет их амплитудами унитарными операциями, использует интерференцию и запутанность, а результат получают измерением; при этом реализация требует борьбы с декогеренцией и коррекцией ошибок.
![Иконка канала Veritasium [RU]](https://pic.rutubelist.ru/user/2025-03-21/8e/08/8e084014e2df59bf75b37c4c9ea66b3b.jpg?size=s)
Квантовый компьютер опирается на принципы квантовой механики — суперпозицию, запутанность и интерференцию — чтобы выполнять вычисления иначе, чем классический компьютер. Основные компоненты и идеи - Кубит Классический бит = 0 или 1. Кубит может находиться в суперпозиции α|0⟩ + β|1⟩, где α и β — комплексные амплитуды, |α|^2 + |β|^2 = 1. При измерении кубит «коллапсирует» в 0 или 1 с вероятностями |α|^2 и |β|^2. - Суперпозиция Позволяет одному набору кубитов представлять одновременно множество классических состояний; это даёт параллелизм вероятностей, но не простой параллельный расчёт всех ответов. - Запутанность Несколько кубитов могут быть в едином состоянии, которое нельзя разложить на состояния отдельных кубитов. Изменение одного влияет на совместное состояние — это источник корреляций, недоступных классическому миру. - Квантовые гейты и унитарная эволюция Операции над кубитами реализуются унитарными матрицами (квантовыми гейтами), которые меняют амплитуды, сохраняя нормировку. Последовательность гейтов — квантовая схема, эквивалентная программе. - Интерференция Амплитуды путей могут усиливать или ослаблять друг друга. Алгоритмы специально конструируют гейты так, чтобы правильные ответы усиливались, а неправильные — разрушались интерференцией. - Измерение и получение результата В конце алгоритма выполняют измерение кубитов, получая классические биты. Результат вероятностен; часто алгоритмы повторяют вычисление многократно или используют схемы с высокой вероятностью успеха. Типичные реализации аппаратуры - Сверхпроводящие кубиты (Josephson junctions) — быстрые, масштабируемые подходы (Google, IBM). - Ионные ловушки — долгие времена когерентности, высокоточные гейты (IonQ, Honeywell). - Фотонные системы — кубиты в состоянии фотонов, работают при комнатной температуре. - Спиновые кубиты, точки квантовой точки и др. Проблемы и ограничения - Декогеренция Взаимодействие с окружением разрушает квантовые состояния, требуется низкая температура и изоляция. - Ошибки и квантовая коррекция ошибок Нужно много физических кубитов для одного логического кубита; кодирование и коррекция затратны. - Масштабирование Трудно увеличивать число кубитов при высокой точности и связанности. Когда квантовый компьютер дает преимущество - Специализированные задачи: факторизация больших чисел (алгоритм Шора), ускоренные поиск и оптимизация в некоторых случаях (алгоритм Гровера), моделирование квантовых систем, квантовая химия, материалы, и некоторые задачи линейной алгебры. - Не все задачи ускоряются, многие практические алгоритмы остаются классическими. Квантовый компьютер кодирует информацию в кубитах, управляет их амплитудами унитарными операциями, использует интерференцию и запутанность, а результат получают измерением; при этом реализация требует борьбы с декогеренцией и коррекцией ошибок.