Новое исследование ставит под сомнение безграничный потенциал квантовых компьютеров

Согласно новому анализу, опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, производительность квантовых компьютеров может достичь своего предела уже после отметки примерно в 1000 кубитов. Тим Палмер из Оксфордского университета провел переоценку математических основ, лежащих в основе квантовых принципов, на которых строится эта технология. В результате своих расчетов он пришел к выводу, что ограничения, связанные с информационной емкостью больших квантовых систем, могут сделать их вычислительную мощность гораздо более скромной, чем предполагают многие исследователи.

В последнее время физики, работающие в области квантовых технологий, испытывают растущее волнение — и одновременно обеспокоенность — по поводу, казалось бы, безграничного потенциала квантовых компьютеров. В классическом компьютере объем информации растет линейно с увеличением количества битов. Однако в квантовом компьютере каждый дополнительный кубит удваивает количество квантовых состояний, которые может занимать система. Поскольку эти состояния могут кодировать множество возможностей одновременно, в рамках нашего текущего понимания квантовой механики общая вычислительная мощность системы, как считается, возрастает экспоненциально с каждым новым кубитом. Поэтому по мере совершенствования технологий и появления новых квантовых устройств с постоянно растущим числом кубитов потенциальный рост вычислительной мощности казался практически неограниченным.

В своем анализе Палмер приходит к более сдержанному выводу. В своей работе он фокусируется на свойствах гильбертова пространства — абстрактной математической структуры, где каждое возможное состояние квантовой системы представлено в виде отдельной точки. Такой подход позволяет исследователям описывать квантовые системы, используя более интуитивный язык геометрии. В рамках этой модели суперпозиции квантовых состояний соответствуют новым измерениям гильбертова пространства. По мере добавления кубитов количество этих измерений возрастает экспоненциально. Согласно стандартной квантовой механике, система может исследовать это пространство плавно и непрерывно, охватывая огромный спектр возможных квантовых состояний.

Палмер утверждает, что физическая реальность, лежащая в основе этого процесса, может быть гораздо более дискретной, чем предполагает теория. По его мнению, система способна нести лишь ограниченный объем физической информации, которого недостаточно для присвоения полностью независимых значений каждому измерению гильбертова пространства по мере его роста. Это означает, что, хотя гильбертово пространство на бумаге продолжает расширяться экспоненциально, доступная для системы его часть становится все более ограниченной. В такой картине квантовые состояния могут занимать лишь ограниченный, счетный набор возможностей. Если эта концепция верна, она накладывает четкий предел на экспоненциальное масштабирование, предсказываемое стандартной квантовой механикой. Согласно оценкам Палмера, квантовые компьютеры могут начать упираться в этот потолок уже при достижении порядка 1000 кубитов — показателя, к которому уже приближаются некоторые из наиболее продвинутых современных устройств.

На данный момент полная вычислительная мощность этих систем остается непроверенной и, возможно, все еще может значительно превосходить возможности самых мощных классических компьютеров. Однако при тех ограничениях, которые предлагает Палмер, их предельные возможности могут не дотянуть до некоторых давно ожидаемых целей, таких как взлом криптографических алгоритмов, лежащих в основе большинства современных систем безопасной передачи данных. И хотя это может ослабить одну из главных тревог, связанных с квантовыми технологиями, подобные ограничения могут также затронуть и многие из их наиболее перспективных областей применения: от разработки новых лекарств до оптимизации сложных логистических сетей. В конечном счете, анализ Палмера позволяет предположить, что будущее квантовых вычислений может оказаться гораздо более приземленным, чем это представлялось ранее.