Квантовая суперпозиция: как она работает и почему важна для квантовых компьютеров?

Квантовая механика — это раздел физики, изучающий поведение мельчайших частиц во Вселенной, таких как атомы, электроны и фотоны. В отличие от привычного нам макромира, где объекты подчиняются законам классической физики, в квантовом мире действуют иные правила. Одним из самых удивительных явлений является квантовая суперпозиция, позволяющая частицам находиться в нескольких состояниях одновременно.

Что такое квантовая суперпозиция?

В повседневной жизни объекты могут быть только в одном состоянии: выключатель либо включен, либо выключен, а кот либо жив, либо мёртв. Однако в квантовом мире частицы, такие как электроны или фотоны, могут существовать в суперпозиции — то есть в нескольких состояниях сразу, пока их не измерили.

Ярким примером служит мысленный эксперимент Шрёдингера с котом. Если поместить кота в коробку с механизмом, который с вероятностью 50% может его убить, например, в зависимости от распада квантовой частицы, то до момента открытия коробки кот считается одновременно живым и мёртвым. Только при наблюдении система «коллапсирует» в одно из состояний.

Как учёные доказали суперпозицию?

Одним из ключевых экспериментов, подтверждающих суперпозицию, является опыт с двумя щелями. Если пропускать фотоны через две щели, они создают на экране интерференционную картину, как волны. Однако если попытаться измерить, через какую именно щель прошла частица, интерференция исчезает — суперпозиция «разрушается».

Кроме того, суперпозицию наблюдали у ионов, молекул и даже хлорофилла в растениях, который использует это свойство для более эффективного поглощения света.

Почему суперпозиция важна для квантовых компьютеров?

Обычные компьютеры работают с битами, которые могут принимать значения 0 или 1. В отличие от них, квантовые компьютеры используют кубиты, способные благодаря суперпозиции находиться в состоянии 0 и 1 одновременно.

Три классических бита могут хранить только одно из восьми возможных состояний, таких как 000, 001, 010 и так далее. В то же время три кубита могут находиться в суперпозиции всех восьми состояний одновременно, что позволяет проводить множество вычислений параллельно.

Благодаря этому квантовые компьютеры потенциально смогут решать задачи, на которые обычным суперкомпьютерам потребовались бы миллионы лет. Это открывает новые возможности в фармацевтике, моделировании климата и криптографии.

Когда отмечают Всемирный день квантовой физики?

14 апреля отмечается Всемирный день квантовой физики (World Quantum Day). Дата выбрана не случайно: 4.14 — это первые три цифры постоянной Планка (4.135667696×10⁻¹⁵ эВ·с), фундаментальной константы в квантовой механике.

Квантовая суперпозиция — лишь одно из многих удивительных явлений микромира, и её изучение открывает новые горизонты для науки и технологий.