Чому квантові комп’ютери швидші?

Звичайні комп’ютери підкоряються законам класичної фізики. Вони покладаються на двійкові числа 0 та 1, котрі використовуються для математичних операцій. У звичайних блоках пам’яті кожен біт, найменша одиниця інформації, являє собою мікроскопічну точку на мікрочипі. Кожна з цих точок може містити заряд, який визначає, чи встановлений біт  1 або 0.

Однак у квантовому комп’ютері біт може бути як 0 так і 1 одночасно. Це пов’язано з тим, що закони квантової фізики дозволяють електронам одночасно перебувати в кількох місцях. Квантові біти або кубіти, таким чином, існують в декількох паралельних станах. Ця так звана суперпозиція, яка дозволяє квантовим комп’ютерам виконувати операції з багатьма значеннями одночасно, тоді як один звичайний комп’ютер виконує ці операції послідовно. Особливість квантових обчислень полягає ще і в здатності вирішувати певні проблеми значно швидше.

Від гіпотези до доказів

Дослідники переконливо демонструють перевагу квантових комп’ютерів. З цією метою вони розробили квантову схему, яка може вирішити конкретну “важку” алгебраїчну задачу. Нова схема має просту структуру: вона виконує тільки фіксовану кількість операцій на кожному кубіті. Така схема називається постійною глибиною. У своїй роботі дослідники доводять, що проблема не може бути вирішена за допомогою класичних схем постійної глибини. Крім того, вони відповідають на питання про те, чому квантовий алгоритм перевершує будь-яку класичну схему: він використовує нелокальність квантової фізики.

До цієї роботи перевага квантових комп’ютерів не була ні доведена, ні експериментально продемонстрована. Одним із прикладів є квантовий алгоритм Шора, який ефективно вирішує проблему простої факторизації. Однак це всього лише теоретична гіпотеза про те, що цю проблему можна вирішити тільки за допомогою квантових комп’ютерів.

Крок на шляху до квантових обчислень

Роберт Кеніг, професор теорії складних квантових систем, розглядає нові результати перш за все як внесок в теорію складності:

“Наш результат показує, що обробка квантової інформації дійсно дає переваги – без необхідності покладатися на недоведені гіпотези складності”.

Крім цього, робота забезпечує нові віхи на шляху до квантових комп’ютерів. Через свою просту структуру нова квантова схема є кандидатом на короткострокову експериментальну реалізацію квантових алгоритмів.