В квантовых компьютерах каждый добавленный кубит (единица квантовой информации) удваивает число квантовых состояний, которые может занимать система. Согласно стандартной квантовой механике, это означает, что мощность компьютера растет экспоненциально с каждым новым кубитом. Новое исследование специалистов Оксфордского университета ставит этот оптимизм под сомнение.
В основе анализа лежит понятие гильбертова пространства — абстрактного математического пространства, где каждое возможное состояние квантовой системы представлено одной точкой. При добавлении кубитов количество измерений этого пространства растет экспоненциально. В стандартной интерпретации система может плавно и непрерывно исследовать это пространство, охватывая огромное число возможных квантовых состояний.
Автор работы Тим Палмер утверждает, что физическая реальность может быть гораздо более дискретной, чем предполагает теория. У системы есть лишь ограниченное количество физической информации, которую она может нести, — недостаточно, чтобы присвоить независимые значения каждому измерению гильбертова пространства по мере его роста. Это означает, что хотя само пространство на бумаге продолжает расширяться экспоненциально, доступная его часть становится все более ограниченной.
Если рассуждения верны, то квантовые состояния могут занимать лишь ограниченное, счетное множество возможностей. Это накладывает четкий предел на экспоненциальное масштабирование, предсказываемое стандартной квантовой механикой. По оценкам физика, квантовые компьютеры могут начать упираться в этот потолок уже при достижении около 1000 кубитов — числа, к которому приближаются самые передовые современные устройства.
На данный момент полная мощность этих систем остается непроверенной, и она все еще может значительно превосходить возможности самых мощных классических компьютеров. Но в рамках предложенных исследователем ограничений их итоговые способности могут не дотянуть до некоторых давно ожидаемых целей — например, до взлома криптографических систем, лежащих в основе большей части современной защищенной передачи данных.
Хотя это может несколько снизить градус беспокойства вокруг квантовых технологий (именно опасения о взломе шифров заставляют многие страны и компании ускорять разработку постквантовой криптографии), аналогичные ограничения могут затронуть и самые перспективные применения — от разработки лекарств до оптимизации сложных логистических сетей. Это значит, что будущее квантовых вычислений может оказаться гораздо более приземленным, чем многие предполагали. Статья опубликована в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ранее Наука Mail рассказывала о причинах ажиотажа вокруг квантовых вычислений в научном мире.
