Що таке кубіт?

В останні роки широка аудиторія дедалі частіше чує термін «квантовий комп'ютер», чимало публікацій про це можна зустріти у мережі. Основна одиниця такої системи — кубіт — поняття в галузі квантового світу, а тому здається загадковим і дуже складним. Що таке кубіт, навіщо він потрібен і як фізично може бути реалізований?

Кубіт - це носій квантової інформації та аналог біта в квантовому світі, основний елемент будь-яких квантових обчислювачів. Кубіт являє собою систему, яка знаходиться в контрольованому стані суперпозиції двох стаціонарних станів - 0 і 1. Це означає, що, на відміну від класичних бітів, які можуть перебувати в стані або 0 або 1, кубіти можуть бути в стані 0 і 1 одночасно . Кубітам також характерне не властиве бітам явище квантового заплутування: стан одного такого елемента пов'язаний зі станом іншого незалежно від відстані між ними. Потенційно ці властивості дозволяють реалізовувати паралельні обчислення та ефективніше класичних систем працювати з більшими обсягами інформації.

Але режим квантової переваги поки ніким не був досягнут — такий пристрій міг би обігнати класичні комп'ютери у вирішенні більшості завдань. Для досягнення переваги потрібна машина з 50-60 кубітами і, що важливо, досить малою декогеренцією, тобто в стані, при якому ніщо ззовні не заважатиме кубітам перебувати в стані квантової заплутаності між собою. Тут, зокрема, виникає складність у реалізації повноцінного квантового комп'ютера.

Справа в тому, що самі по собі кубіти дуже чутливі до навколишнього середовища та дії шумів. Крім того, чим більше кубітів, тим «крихкішим» стає їх заплутаний стан. Навіть найменші обурення можуть призвести до помилок у квантових обчисленнях, спотворення даних. І хоча фізично кубіт може бути реалізований різними способами (кубіти створюють з використанням спеціально вирощених надпровідникових структур, ультрахолодних атомів та ультрахолодних іонів, за допомогою оптичних систем тощо), єдиної відповіді про найбільш перспективну реалізацію у дослідників поки немає — сьогодні експерименти зі створення квантових обчислювачів ведуться з урахуванням різних технологій. І цей перелік регулярно оновлюється. Якщо узагальнити на базовому рівні: «зіткнення» квантової системи з реальним світом руйнує всю «квантовість», і спосіб підтримки цього стану в достатньому масштабі поки не знайдений. Тим більше не вигадано спосіб реалізації такого квантового обчислювача, наприклад, в умовах звичайної квартири.

Незважаючи на поточні складнощі, квантові інформаційні системи мають великий потенціал — принаймні у науці вже є чимало обчислювальних завдань, з якими класичні комп'ютери не можуть впоратися. Також варто зауважити, що існують системи з сотнями кубітів, наприклад, про це заявляє фірма IBM, але стану квантової переваги вони поки не досягають через високу декогеренцію та інші труднощі, пов'язані з коректною підтримкою системи.