Что такое кубит?
Объяснение понятия кубита
Так же, как двоичный бит — это базовая единица информации в классических (или традиционных) вычислениях, кубит (или квантовый бит) — это основная единица информации в квантовых вычислениях. Квантовые вычисления обеспечивают инновации в отраслях здравоохранения, энергетики, интеллектуальных материалов и систем защиты окружающей среды, а также в других сферах.
Кубит и бит
Кубиты представлены суперпозицией множества возможных состояний
Для достижения линейного сочетания двух состояний кубит использует явление квантовой механики, называемое суперпозицией. Классический двоичный бит может представлять только одно двоичное значение, например 0 или 1. Это означает, что бит может находиться только в одном из двух возможных состояний. Кубит же может представлять 0, 1 или любую долю от 0 до 1 в суперпозиции обоих состояний с определенной вероятностью того, что он равен 0, и определенной вероятностью того, что он равен 1.
Суперпозиция обеспечивает квантовым компьютерам сверхмощные вычислительные возможности
Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам обрабатывать информацию за малую часть того времени, которое потребовалось бы самым быстрым классическим системам для решения определенных проблем.
- Объем информации, которую может представить система кубитов, увеличивается экспоненциально. Для информации, которую могут легко представить 500 кубит, недостаточно и 2^500 классических бит.
- Разложение 2048-разрядного числа на простые множители классический компьютер будет выполнять миллионы лет. Кубиты позволят выполнить такое вычисление всего за несколько минут.
Существует множество физических реализаций кубитов
Классические компьютеры используют привычные микросхемы на основе полупроводников. Кубиты же (иногда называемые "кубитами квантового компьютера") можно создать из перехваченных ионов, фотонов, искусственных или реальных атомов либо квазичастиц. В зависимости от архитектуры системы кубитов в некоторых реализациях для кубитов необходимо поддерживать температуры, близкие к абсолютному нулю.
Суперпозиция, интерференция и запутанность
Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам использовать другие явления квантовой механики, такие как интерференция и запутанность. Суперпозиция в сочетании с интерференцией и запутанностью обеспечивает мощные вычислительные возможности, которые позволяют решать проблемы в разы быстрее, чем с помощью классических компьютеров.
Интерференция
Интерференция — это следствие суперпозиции. Между состояниями кубитов может возникать интерференция, так как каждое состояние описывается амплитудой вероятности, аналогично амплитуде волн.
Конструктивная интерференция увеличивает амплитуду, а деструктивная — устраняет ее. Эти эффекты используются в алгоритмах квантовых вычислений и обуславливают их кардинальное отличие от классических алгоритмов. Интерференция в сочетании с запутанностью позволяет реализовать квантовое ускорение, обеспечиваемое квантовыми вычислениями.
Запутанность
Между несколькими кубитами может возникнуть квантовая запутанность. Запутанные кубиты всегда взаимокоррелируют, образуя единую систему. Даже если они бесконечно далеко друг от друга, определив состояние одного кубита, мы сможем узнать состояние другого, не измеряя его напрямую.
Запутанность необходима для любого квантового вычисления. На классическом компьютере ее невозможно эффективно реализовать. Запутанность применяется при разложении больших чисел на простые множители (алгоритм Шора) и решении задач поиска (алгоритм Гровера).
Будущее кубитов
Хрупкость кубитов
Одна из самых серьезных проблем в области квантовых вычислений — хрупкость кубитов. Запутанность системы кубитов с ее средой, включая настройку измерений, может нарушить согласованность системы и привести к декогеренции. Поэтому сейчас разрабатываются усовершенствования в процессах создания оборудования для квантовых вычислений и методах исправления ошибок.
Топологические кубиты более стабильны
Чтобы устранить проблемы, связанные с хрупкостью кубитов, Майкрософт использует топологические кубиты, которые стабилизируются за счет манипулирования их структурой и окружения их химическими соединениями, защищающих кубиты от внешнего "загрязнения". Топологические кубиты защищены от шума благодаря топологическим свойствам квазичастиц, что повышает устойчивость квантового оборудования Майкрософт к ошибкам. Эта повышенная стабильность позволяет квантовому компьютеру масштабироваться, чтобы выполнять более длительные и сложные вычисления, а также упростить реализацию более комплексных решений.
Ресурсы Azure Quantum
Создавайте квантовые решения уже сегодня, став одним из ранних пользователей предварительной версии Azure Quantum — полнофункциональной открытой облачной экосистемы. Получите доступ к программному обеспечению, оборудованию и готовым решениям и приступайте к разработке на надежной, масштабируемой и высокобезопасной платформе.
Начало разработки с использованием Quantum DK