Квантовый компьютер

Евгений Firstborn Рогов

Спецвыпуск: Хакер, номер #055, стр. 055-068-2

Итак, мы выбрали на этой окружности всего две точки и назвали их состояниями бита. А что мешает нам считать любую точку на окружности тем же битовым состоянием? "Погоди, - скажешь ты, - бред какой-то, таких точек бесконечное множество!" Бред или нет, но именно так мы представляем наш новый чудо-бит. Правда, пока пользы от него мало, но только пока.

Дальше - интереснее. Хоть состояний у такого бита больше некуда, каждое из них может быть представлено в виде так называемой суперпозиции двух базисных состояний - нуля и единицы. Как это получается, ты поймешь, если просто вспомнишь из упомянутого выше школьного курса геометрии уравнение окружности. Кстати, давай уже будем называть наш бит Q-битом или еще короче - кубитом. Именно так его называют везде, где речь заходит о квантовой модели вычислений. У него есть множество интересных чисто математических свойств, описывать которые можно очень долго, тем самым далеко выйдя за пределы не только этой короткой статьи, но и всего журнала. Важно понять одно: пока кубит для нас - чисто теоретическая конструкция, простая по своей гениальности, но позволяющая построить на основе себя несколько более чем занимательных конструкций.

Одна из таких конструкций - это, собственно, квантовый компьютер. Будем считать, что квантовый компьютер - это система из нескольких (возможно, из довольно большого числа) кубитов. Если проводить аналогию с компьютером классическим, то может возникнуть легкое недоумение: как, одни только биты? И как же будет работать компьютер, состоящий исключительно из одной памяти, из одних только битов? А как же процессор, всякие устройства ввода/вывода? Все верно, только эти устройства являются лишь деталями технической реализации современного компьютера и не имеют никакого отношения к основополагающим принципам его работы, и к тому же мы сейчас рассматриваем только теоретическую, умозрительную модель.

Ну, хорошо, а что нам дает такая странная система из чисто умозрительных элементов - кубитов? А очень многое. Представь, что у нас есть квантовый компьютер из целых N кубитов. Несложно сообразить, что число базовых состояний такого компьютера - два в степени N. Если бы тут мы имели дело с классическим компьютером и классическими битами, то на этом все и закончилось бы: есть у нас, например, байт, состоящий из восьми классических битов, тогда сколько у него состояний? Правильно, два в восьмой степени, то есть ровнехонько 256. Вот, собственно, и все, что может предложить нам классический восьмибитовый (смешно звучит, правда?) компьютер. Однако в случае квантового компьютера все намного интереснее! Имея два в степени N базисных состояний, мы можем состряпать из них суперпозицию из ровно такого же количества слагаемых. А квантовый вычислительный процесс в системе из N кубитов одновременно изменяет все коэффициенты в суперпозиции! Именно такое одновременное изменение всех слагаемых обеспечивает то, ради чего мы вообще затеяли этот разговор: невообразимый параллелизм квантовых вычислений. И именно этот бешеный параллелизм позволяет нашему теоретическому квантовому компьютеру с легкостью решать такие задачи, что всем компьютерам, построенным по классическим принципам, остается нервно курить в сторонке.