Квантовая революция для всех

Эта хрупкость означает, что квантовые компьютеры должны быть максимально изолированы от окружающей среды. Большинство квантовых компьютеров работают при температурах, близких к абсолютному нулю (около 0,01 Кельвина), в специальных камерах, которые блокируют электромагнитное излучение и вибрации. Даже при таких мерах предосторожности квантовые состояния обычно длятся всего несколько микросекунд, прежде чем декогеренция разрушает их.

Хрупкость также означает, что квантовые вычисления должны выполняться быстро, до того как декогеренция разрушит квантовые состояния. Это накладывает фундаментальные ограничения на сложность квантовых алгоритмов, которые могут быть реализованы на современных квантовых компьютерах.

Понимание и контроль декогеренции является одной из центральных задач квантовых вычислений. Квантовые системы различаются по скорости декогеренции, что влияет на их применимость. Исследователи постоянно работают над разработкой новых методов защиты квантовых состояний от воздействия окружающей среды.

Принцип неопределённости: фундаментальные ограничения знания

Принцип неопределённости Вернера Гейзенберга гласит, что определённые пары свойств не могут быть измерены одновременно с абсолютной точностью. Чем точнее вы знаете положение частицы, тем менее точно вы можете знать её импульс, и наоборот.

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.