Квантовая революция для всех

Это не ограничение измерительной техники – это фундаментальное свойство реальности на квантовом уровне. Принцип неопределённости происходит из волновой природы квантовых частиц. Волна, локализованная в определённом месте, обязательно содержит диапазон частот, которые соответствуют разным импульсам.

Принцип неопределённости говорит, что нельзя точно знать одновременно, где находится частица и как быстро она движется. Если вы точно узнаёте её положение, то её скорость становится размытой, и наоборот. Это как пытаться поймать мыльную пену – чем сильнее сжимаешь, тем больше она ускользает. Это правило задаёт пределы того, что мы можем узнать о крошечных частицах в квантовом мире.

Принцип неопределённости имеет важные последствия для квантовых вычислений. Он ограничивает объём информации, который можно извлечь из квантовых систем, и влияет на требования к разработке квантовых алгоритмов. Он также устанавливает фундаментальный предел точности квантовых измерений.

Однако принцип неопределённости также открывает новые возможности. Вводимая им случайность может быть использована для генерации квантовых случайных чисел, что необходимо для криптографии и приложений в области безопасности. Истинная квантовая случайность принципиально отличается от псевдослучайности, генерируемой классическими компьютерами.

Принцип неопределённости работает не только для положения и скорости частицы, но и для других пар свойств, таких как энергия и время или разные направления вращения частицы. Эти взаимосвязи накладывают фундаментальные ограничения на то, что можно одновременно знать о квантовых системах.

Квантовое туннелирование: преодоление классических барьеров

В классической физике мяч, катящийся в гору, остановится, если у него не хватит энергии, чтобы достичь вершины. В квантовой механике частицы могут «проникать» через энергетические барьеры, которые в классической физике невозможно преодолеть.

Квантовый туннелирование происходит потому, что квантовые частицы обладают волновыми свойствами. Волна может простираться за пределы барьера, что означает, что существует вероятность найти частицу на другой стороне, даже если у неё недостаточно энергии, чтобы преодолеть барьер в классическом смысле.

Вероятность туннелирования зависит от высоты и ширины барьера, а также от энергии частицы. Более толстые и высокие барьеры снижают вероятность туннелирования, но даже очень толстые барьеры имеют некоторую вероятность быть «пронзёнными». Энергия волновой функции частицы быстро уменьшается внутри барьера, как будто её сигнал, подобно звуку радио, становится всё тише и теряется в шуме, пока почти не исчезает.

Этот эффект туннелирования является одновременно проблемой и возможностью для квантовых вычислений. Это один из эффектов, который вызывает проблемы в классических транзисторах по мере уменьшения их размеров – электроны могут проникать через барьеры, которые должны их останавливать. Но туннелирование также можно использовать в квантовых устройствах для создания новых типов квантовых операций.

Туннелирование лежит в основе многих важных физических явлений, включая радиоактивный распад, работу сканирующих туннельных микроскопов и реакции ядерного синтеза, которые питают Солнце. Без квантового туннелирования ядерные реакции в ядре Солнца не происходили бы при имеющихся там температурах и давлениях.

Интерпретация многих миров

Проблема измерения в квантовой механике – почему суперпозиция схлопывается, когда мы её измеряем? – породила различные интерпретации. Наиболее популярной среди физиков является копенгагенская интерпретация, которая просто принимает, что измерение вызывает коллапс (схлопывание), не пытаясь объяснить, почему.

Альтернативная интерпретация, предложенная Хью Эвереттом III в 1957 году, – интерпретация многих миров. Согласно этой точке зрения, измерение не вызывает коллапс – вместо этого вселенная разделяется на несколько ветвей, по одной для каждого возможного результата измерения. Все возможные результаты действительно возникают, но в отдельных параллельных вселенных.

Хотя эта интерпретация кажется научной фантастикой, многие физики ценят её, потому что она объясняет квантовую механику чётко и логично с математической точки зрения, не вводя в неё случайных изменений состояния частиц. Она также предполагает, что Вселенная гораздо страннее и обширнее, чем мы обычно себе представляем.

В отношении квантовых вычислений интерпретация множественных миров предполагает, что квантовые компьютеры могут выполнять вычисления в параллельных вселенных, а затем выбирать вселенную с правильным ответом. Хотя это всего лишь предположение, оно даёт интересную перспективу того, откуда может браться мощность квантовых компьютеров.

Это не означает, однако, что автор в настоящее время с ней полностью согласен.

Квантовая теория информации

Слияние квантовой механики и теории информации привело к появлению новой области знаний, называемой квантовой теорией информации. Эта область изучает, как информация может быть закодирована, передана и обработана с помощью квантовых систем.

Классическая теория информации, разработанная Клодом Шенноном в 1940-х годах, показала, что вся информация может быть сведена к битам – двоичным цифрам, которые могут принимать значения 0 или 1. Квантовая теория информации расширяет это понятие до квантовых битов (кубитов), которые могут существовать в суперпозиции.

Ключевая идея квантовой теории информации заключается в том, что квантовые системы могут кодировать и обрабатывать информацию способами, которые не имеют классического эквивалента. В то время как классический бит может хранить ровно один бит информации, кубит может хранить сложные амплитуды вероятностей, которые содержат больше информации, хотя при измерении можно извлечь только один классический бит.

Теорема о неклонируемости – одно из важнейших достижений квантовой теории информации. Она гласит, что невозможно создать точную копию произвольного неизвестного квантового состояния. Эта теорема имеет глубокие последствия как для квантовых вычислений, так и для квантовой криптографии, поскольку означает, что квантовая информация не может быть идеально скопирована или украдена.

Квантовое преимущество: почему эти свойства важны

Эти квантово-механические свойства – суперпозиция, запутанность, интерференция и другие – не являются просто научными курьёзами. Они представляют собой вычислительные ресурсы, не имеющие классического эквивалента. Они позволяют квантовым компьютерам:

· Одновременно обрабатывать несколько вариантов благодаря суперпозиции

· Создавать сложные корреляции между кубитами посредством запутанности

· Направлять вычисления к правильным ответам с помощью интерференции

· Выполнять определённые вычисления в разы быстрее, чем классические компьютеры

· Использовать новые типы криптографии и протоколы связи

Понимание этих свойств важно для тех, кто работает с квантовыми компьютерами, ведь они показывают, что эти машины могут и чего не могут. Они объясняют, почему квантовые компьютеры превосходны в решении определённых задач, но непрактичны для других.

Странный мир квантовой механики является основой квантовых вычислений, но для преобразования этих абстрактных принципов в практические вычислительные преимущества требуется тщательная инженерная проработка и разработка алгоритмов.

Мост к вычислениям

Переход от квантовой механики к квантовым вычислениям требует преобразования этих абстрактных физических свойств в практические вычислительные операции. Это преобразование является одним из величайших достижений современной науки и техники – использование явлений, существующих на уровне отдельных атомов, для решения реальных проблем.

Ключевое понимание заключается в том, что квантово-механические свойства не являются препятствиями, которые необходимо преодолеть, а ресурсами, которые можно использовать. Суперпозиция позволяет осуществлять параллельную обработку, запутанность создаёт вычислительные взаимосвязи, а интерференция направляет алгоритмы к правильным ответам. Понимание квантовой механики необходимо для квантовых вычислений, но важно помнить, что квантовые компьютеры – это инженерные системы, которые контролируют квантовые системы и манипулируют ими для выполнения полезных вычислений.

В следующей главе мы рассмотрим, как физики и компьютерные учёные построили этот мост, создав квантовые компьютеры, которые могут использовать странные свойства квантовой механики для выполнения вычислений, невозможных для классических компьютеров.