Kubitas - kvantinio kompiuterio širdis, sužavėjusi mokslininkus: kaip tai veikia?

Klasikinis bitas gali įgauti dvi reikšmes, tai yra, fizinis jo nešėjas gali būti tik dviejų būsenų. Pavyzdžiui, jei kompiuterio procesoriaus tranzistorius praleidžia elektros srovę, jis įgauna reikšmę „1“, o jei nepraleidžia – „0“. Bitas būna griežtai apibrėžtos būsenos, tarpinių reikšmių tarp 0 ir 1 jam neegzistuoja.

Kubitas (angl. q-bit, quantum bit) irgi gali įgyti reikšmes 0 ir 1, tačiau, kitaip nei paprastas bitas, vien jomis jis neapribotas. Jei kubitas gali būti kokių nors dviejų bazinių būsenų, tai jis gali būti ir šių būsenų superpozicijoje, tai yra, įgyti daugybę tarpinių reikšmių. Kubito būsenų aibę patogu įsivaizduoti kaip Blocho sferą. Šiauriniame sferos ašigalyje yra reikšmė 0, pietiniame — 1. Tačiau dar yra ir visas likęs paviršius, atstovaujantis visas įmanomas būsenas.

Kubitą sukurti galima iš bet kokių kvantinių objektų, turinčių dvi bazines būsenas. Pavyzdžiui, elektronas, kurio sukinys ½, gali būti dviejų būsenų: viršutinio ir apatinio sukinio. Bet kokia tokią savybę turinti dalelė, fotonas, neutralus atomas ar jonas ir t.t., gali būti panaudotas kaip kubitas. Tačiau dabar technologiškai pažangiausi kvantiniai kompiuteriai naudoja superlaidžius kubitus — superlaidininkų mikroschemas, kuriose yra nanometrų dydžio pertrūkiai (Džozefsono jungtimis). Esminis superlaidžių kubitų pranašumas — galimybė juos gaminti, panaudojant jau turimus ir suderintus mikroelektronikos kūrimo procesus.

Kuo tai domina mokslą?

Pagrindinė kvantinių kompiuterių kūrimo problema — kubitų dekoherencija. Bet kokia kvantinė sistema neišvengiamai sąveikauja su aplinka, dėl ko vyksta nekontroliuojami kubitų būsenos pokyčiai. Dėl to smarkia padidėja skaičiavimų klaidų tikimybė. Be to, žemas kubito koherentiškumas smarkiai apriboja operacijų, kurias gali atlikti kvantinius kompiuteris, skaičių.

Šį svarbiausią kubitų apribojimą mokslininkai stengiasi išspręsti, iš kelių fizinių kubitų sudarydami „sudėtinius“ loginius kubitus. Jei keli iš jų praranda koherenciją, likusieji vis vien atlieka užduotį. Jei tokias sudėtingas sistemas pavyks sukurti, tai vystantis technologijoms, gali pavykti sukurti klaidų nedarančius kvantinius kompiuterius, kuriais bus galima atlikti neribotai daug operacijų.

Kodėl tai svarbu žinoti?

Kadangi kubitai būna superpozicijoje, kvantiniai kompiuteriai gali daug kartų greičiau atlikti kai kurias užduotis, lygiagrečiai atlikdami kelias operacijas. Akivaizdus tokio lygiagretinimo naudos pavyzdys — kelio paieška labirinte.

Įprastas kompiuteris nuosekliai patikrina visus įmanomus variantus, patekdamas į aklikelius ir grįždamas, o kvantiniai kompiuteriai gali patikrinti visus įmanomus kelius vienu kartu.

Kvantiniai kompiuteriai tokio tipo užduotis sprendžia taip efektyviai, kad ši savybė pavadinta kvantiniu pranašumu. Tam tikro tipo užduotis, kur reikia atlikti daug perrinkimų, kvantiniai kompiuteriai gali atlikti per kelias minutes, kai tuo tarpu galingiausiam klasikiniam superkompiuteriui neužtektų ir metų. Naudingiausias šis pranašumas gali būti modeliuojant chemines ir fizines dalelių savybes, optimizuojant sudėtingų grafų sudarymą, kuriant pažangius šifravimo ir dešifravimo būdus.

postnauka.ru