Обратный отсчет до Дня Q - Часть 1 от @apruden08 Квантовые вычисления используют квантовую механику, самую точную физическую теорию, когда-либо созданную наукой. С тех пор как физик Ричард Фейнман впервые предложил эту концепцию в 1981 году, квантовые компьютеры перешли от теории к реальности, и сегодня доступны несколько работающих прототипов. Их реализация на самых малых масштабах была теоретическим триумфом. Однако эти машины первого поколения примитивны по сравнению даже с потребительским классическим оборудованием. Чтобы квантовые компьютеры когда-либо стали актуальными, они должны масштабироваться. Хотя мы называем их "компьютерами", квантовые компьютеры принципиально отличаются от классической машины, которую вы используете для чтения этого текста. Понимание основных принципов квантовой механики, и в частности того, как она отличается от наших классических представлений о вычислениях, критически важно для понимания потенциальной мощности квантового компьютера и проблем, связанных с его созданием. Этот пост является первым в пятой части серии, которая предоставит основополагающее понимание квантовых вычислений и методологию для оценки временных рамок для криптографически актуального квантового компьютера. Эта основа в конечном итоге предоставит нам структуру для реалистичной оценки временных рамок для Дня Q, чтобы понять, сколько времени у нас есть для подготовки. Фундаментальные различия между классическими и квантовыми вычислениями В то время как классические компьютеры работают на относительно простых логических концепциях, квантовые компьютеры полагаются на принципы квантовой механики, которые ставят под сомнение наши повседневные интуиции о информации. Такие концепции, как суперпозиция, запутанность, интерференция и теорема о невозможности клонирования, придают квантовым компьютерам радикально отличительные свойства по сравнению с классическими компьютерами и, следовательно, разные возможности и ограничения. Вот некоторые ключевые аспекты квантовой механики, которые по своей сути определяют квантовый компьютер: Суперпозиция - В квантовой механике частицы не занимают определенные состояния, как классические биты. Вместо этого они существуют в суперпозиции, или линейной комбинации возможных состояний, описываемой волновой функцией. Эта волновая функция кодирует все возможные состояния системы, которую она описывает. Конкретно, в то время как классический бит однозначно представляет либо 0, либо 1, кубит может находиться в суперпозиции обоих одновременно. Результат, который вы получаете при измерении, зависит от вероятностного распределения, выведенного из волновой функции. Другими словами, суперпозиция позволяет кубиту кодировать гораздо более богатое пространство состояний, чем классический бит, что и придает квантовым вычислениям их экспоненциальный потенциал. Этот момент критически важен для понимания одной из основных проблем в создании квантового компьютера. В классических вычислениях измерение является пассивным, поскольку чтение памяти не изменяет ее. Но в квантовой механике акт измерения системы коллапсирует суперпозицию в определенное состояние. Чтобы получить значительное преимущество от квантового компьютера, эта суперпозиция должна быть тщательно сохранена до нужного момента. Запутанность - В квантовой механике частицы могут быть запутаны, что означает, что их состояния становятся связанными таким образом, что их необходимо описывать как единую систему. Даже когда они разделены на большие расстояния, результат измерения одной частицы коррелирует с (или даже определяется) состоянием другой. Другими словами, запутанность - это особый вид суперпозиции, который охватывает несколько частиц. Это одна из ключевых особенностей, которая позволяет квантовым компьютерам масштабироваться экспоненциально, но также одна из самых хрупких для поддержания со временем и/или расстоянием. Интерференция – Одно из ключевых различий между квантовыми и классическими вероятностями заключается в концепции интерференции. В классических системах вероятности просто складываются (например, подбрасывание двух монет дает 25% шансов для каждого результата). Но в квантовой механике амплитуды (компоненты волновой функции) могут интерферировать друг с другом до измерения. Эти амплитуды могут усиливать (конструктивная интерференция) или взаимно уничтожать (деструктивная интерференция) в зависимости от их относительных фаз. Квантовые компьютеры могут использовать это явление, чтобы "направлять" вычисления к правильным ответам. Вместо того чтобы просто исследовать все пути параллельно, квантовый алгоритм разработан так, чтобы неправильные ответы интерферировали деструктивно и взаимно уничтожались, в то время как желаемые пути, ведущие к правильным ответам, интерферировали конструктивно и доминировали в конечном результате. Без этой способности усиливать правильные результаты и подавлять неправильные, квантовые вычисления не предложили бы никаких преимуществ по сравнению с классическими рандомизированными подходами. Теорема о невозможности клонирования - Поскольку считывание имеет прямое влияние на систему, так как оно коллапсирует суперпозиции в определенные состояния, невозможно "скопировать" квантовые состояния. Это и есть теорема о невозможности клонирования. ...