Что такое квантовые вычисления
Квантовые вычисления — использование явлений квантовой механики (суперпозиции и запутанности) для обработки информации. Классический компьютер работает с битами — 0 или 1. Квантовый — с кубитами, которые могут одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1. Это обеспечивает принципиально иную вычислительную мощность для определённых задач.
Кубиты и суперпозиция
Кубит — квантовая единица информации. В суперпозиции кубит описывается вектором |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, где α и β — комплексные числа (амплитуды), |α|² + |β|² = 1. При измерении кубит «схлопывается» в 0 (с вероятностью |α|²) или 1 (с вероятностью |β|²). До измерения — он «одновременно» 0 и 1.
Система из n кубитов находится в суперпозиции 2ⁿ состояний одновременно. 300 кубитов — больше состояний, чем атомов в наблюдаемой Вселенной!
Квантовые алгоритмы
Алгоритм Шора (1994) — факторизация больших чисел за полиномиальное время. Все современные криптосистемы (RSA) основаны на трудности факторизации — алгоритм Шора их взломает, когда квантовые компьютеры достигнут достаточной мощности. Это стимулировало разработку постквантовой криптографии.
Алгоритм Гровера — поиск в неупорядоченном массиве из N элементов за √N шагов (против N шагов классически). Квадратичное ускорение для задач поиска.
Современное состояние
IBM, Google, IonQ, Microsoft — гонка квантового превосходства. Google в 2019 году заявила о «квантовом превосходстве» (задача за 200 секунд против 10 000 лет на классическом суперкомпьютере). Главная проблема — декогеренция: кубиты очень чувствительны к внешним помехам. Реальные квантовые компьютеры работают при температурах, близких к абсолютному нулю. Практическое применение — дело ближайших 10–20 лет.