Бит и кубит
Урок 6 из 23 курса «Квантум: курс с нуля». Бесплатно, с анимациями и тестом.
Бит — выключатель, кубит — сфера
Обычный бит — выключатель: 0 или 1, третьего нет. Кубит — квантовая версия бита. До измерения у него есть две амплитуды: для 0 и для 1. Их удобно рисовать точкой на сфере, а не двумя положениями. Но запомни главное правило из первого уровня: при измерении кубит тоже даёт только 0 или 1. Вся хитрость в том, что происходит с амплитудами до измерения.
Сфера Блоха
Состояние одного кубита можно показать стрелкой на сфере, её придумал физик Феликс Блох. Северный полюс — точно 0, южный — точно 1. Чем ближе стрелка к полюсу, тем выше шанс получить его при измерении. На экваторе ровно 50 на 50. А поворот по экватору, как долгота на глобусе, называется фазой. Это и есть знак амплитуды из урока про суперпозицию. В тренажёре сферу можно покрутить кнопками-гейтами.
Фаза: невидимая, но решающая
Возьмём две точки на экваторе: «плюс» и «минус». У обеих шанс 0 и 1 ровно 50 на 50, и прямое измерение их не различит. Но это разные состояния: у «минуса» амплитуда единицы со знаком минус. Если перед измерением применить гейт H, из «плюса» получится точно 0, а из «минуса» точно 1. Вот почему фаза важна: квантовые алгоритмы прячут ответ именно в знаках, а потом проявляют его интерференцией.
Почему кубиты трудно подделать
Чтобы описать n кубитов на обычном компьютере, нужно 2 в степени n амплитуд, ведь каждая комбинация нулей и единиц получает свою. 10 кубитов: 1024 числа, пустяк. 50 кубитов: около квадриллиона чисел, такой массив уже не влезет в память ноутбука. 300 кубитов: чисел больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Поэтому большие квантовые схемы нельзя просто посчитать на суперкомпьютере, и в этом их сила.
Но прочитать можно только n бит
Ловушка для хайпа: раз внутри квадриллион чисел, значит, это квадриллион ответов? Нет. Измеришь 50 кубитов, получишь ровно 50 обычных бит, а все амплитуды схлопнутся. Физики даже доказали это как теорему: из n кубитов не вытащить больше n бит информации. Значит, сила кубитов не в хранении. Она в том, как алгоритм заставляет неправильные ответы гасить друг друга, чтобы при измерении выпал правильный.
Кубит — это что физически?
Кубитом может быть любая штука с двумя чёткими квантовыми состояниями, которую можно изолировать и контролировать. Сверхпроводящая схема из Нобелевки 2025 года, на ней строят Google и IBM. Отдельный ион, зажатый электрическим полем: Quantinuum и IonQ. Нейтральный атом, которого держит луч лазера: QuEra и Atom Computing. Фотон: PsiQuantum и Xanadu. У каждого варианта свои плюсы и минусы, их разберём в уровне про железо.
Проверь себя
- Кубит на экваторе сферы Блоха. Что даст измерение?
Правильный ответ: 0 или 1, примерно поровну. Экватор — это 50 на 50. Каждое измерение даёт 0 или 1, а за сотню попыток выйдет примерно поровну. - Что ответить на «50 кубитов хранят квадриллион ответов»?
Правильный ответ: Прочитать можно только 50 бит. Описать 50 кубитов можно квадриллионом амплитуд, но измерение выдаёт ровно 50 бит. Это доказанная теорема, а не временная проблема. - Чем отличаются состояния «плюс» и «минус»?
Правильный ответ: Знаком амплитуды, то есть фазой. Шансы у обоих 50 на 50, но у «минуса» амплитуда единицы с минусом. Гейт H превращает «плюс» в 0, а «минус» в 1, так что разница реальная.