Обычные компьютеры выполняют вычисления, используя «биты» информации, которые, подобно переключателям включения и выключения, могут существовать только в двух состояниях: 1 или 0. Квантовые компьютеры, в свою очередь, используют квантовые биты, или так называемые «кубиты», которые могут существовать сразу в двух состояниях: в 1 и 0 одновременно. Столь невероятное следствие квантовой механики называется состоянием суперпозиции и является определяющим качеством превосходства квантового компьютера над обычным.

Так, как сообщает портал livescience.com, пара битов может хранить только одну из четырех возможных комбинаций состояний (00, 01, 10 или 11) в любой момент времени. Пара кубитов может хранить все четыре комбинации в одно и то же время из-за того, что каждый кубит представляет оба значения (0 и 1) одновременно. Если вы добавляете больше кубитов, мощность вашего компьютера растет экспоненциально: три кубита хранят восемь комбинаций, четыре кубита хранят 16 и так далее. Новый компьютер Google с 53 кубитами может хранить 253 значения, или более 10 квадриллионов комбинаций. Это число становится еще более впечатляющим, когда появляется еще одно фундаментальное и столь же странное свойство квантовой механики — запутанные состояния.
 

Если попробовать получить пару фотонов одновременно, то выяснится, что созданные фотоны окажутся связанными между собой. Если измерить спин одного них и получить положительный или отрицательный его заряд, то станет ясно, что спин второго фотона имеет прямо противоположное значение. Вместе с тем, во время нахождения кванта в свободном состоянии и без какого-либо стороннего наблюдателя, заряд кванта находится в двух состояниях одновременно, вращаясь по часовой стрелке и против нее в одно и то же время. Как только рядом с квантом появляется наблюдатель, способный измерить состояние частицы, квант неожиданно приобретает уникальную способность выбора своего состояния, превращаясь в положительно или отрицательно заряженную частицу.

Альберт Эйнштейн описал это явление как “жуткое действие на расстоянии”, при котором частицы, которые взаимодействовали между собой в какой-то определенный момент времени, могут запутаться. Таким образом, измерение состояния одной частицы позволяет сразу же узнать заряд другой, связанной с первой частицы, независимо от расстояния между ними. В том случае, если кубиты квантового компьютера также оказываются запутаны, все они могут быть измерены одновременно.

Команда исследователей во главе с физиком-экспериментатором из Калифорнийского университета Джоном Мартинисом создала уникальную задачу для проверки работоспособности главного компьютера компании Google. Для того, чтобы решить поставленную задачу, обычной машине Тьюринга потребовались бы целых 10000 лет, в то время как квантовый компьютер смог завершить сложное вычисление всего лишь за 200 секунд.

Расчет, с которым успешно справился квантовый компьютер, любезно предоставленный исследователям компанией Google, является квантовым эквивалентом генерации очень длинного списка случайных чисел и проверки их значений миллион раз. Несмотря на то, что результат проведенного тестирования не несет возможности применения его за пределами квантового мира, оно имеет большое значение при определении вычислительной мощности устройства. Кроме того, достижение Google может помочь при создании еще более мощных и защищенных квантовых компьютеров будущего.