Квантовая информация
Итак, если в классическом компьютере количество хранимой информации растет линейно в зависимости от количества бит, то в квантовом — экспоненциально. Если выразить математически, получится примерно следующее. Пусть I — количество информации, N — количество бит, а Q — количество кубит. Тогда для классического компьютера I = N, а для квантового I = 2Q.
Простой пример: в классическом компьютере два бита — это вдвое больше информации, чем в одном бите. 8 бит — соответственно, в 8 раз больше. В квантовой вычислительной машине 2 кубита — это уже в 4 раза больше информации, чем в одном. А 8 кубит — это в 128 раз больше.
Тут возникает интересный момент. Математически нетрудно написать формулу для сравнения классического компьютера и квантового. Это будет N = 2Q. Из этого следует, что если есть квантовый компьютер, например, с 512 кубитами, то его классический аналог, равный по количеству хранимой информации, должен иметь на борту 2512 = 10355 бит. Ну, или 125х10347 Гбайт. Для сравнения, число атомов в обозримой части Вселенной насчитывает «всего лишь» 1080.
При этом 512 кубит не могут хранить информацию, которую вмещает всего лишь 1024 бит! Дело в том, что благодаря явлению суперпозиции 512 кубит — это одновременно все возможные сочетания 512 нулей и единиц. Не меньше, но и не больше. Таким образом, информация, запросто выражающаяся 1024 битами, уже «не пролезает». Это как если бы у вас был компакт-диск, на котором вместо классических битов — кубиты. 650 «мегакубайт». На этом диске хранятся одновременно все CD, которые были, есть и еще только будут созданы, плюс просто сочетания нулей и единиц, не являющиеся осмысленной информацией. Но несмотря на то, что это — бесконечно огромное количество данных, там не может быть ни одного файла, объем которого превышает 650 мегабайт.
Конечно, существует масса способов разбиения данных на куски. Таким образом, если есть квантовый модуль памяти и классическое запоминающее устройство номинально большего объема, то нетрудно «разархивировать» нужный файл, сохраняя его части на обычный жесткий диск. Примерно так, возможно, и будет выглядеть в будущем вычислительное устройство — гибрид квантового и классического компьютера.
Квантовый Интернет
Сегодня квантовая «запутанность» не используется для передачи информации как таковой. Она только обеспечивает безопасность передаваемых сообщений. Однако в перспективе, возможно, будет создана своеобразная сеть, аналог современного интернета, в которой станет в полную силу использоваться такое явление как квантовая телепортация. Смысл его заключается вот в чем: если есть две «запутанные» частицы, сколь угодно далеко разнесенные в пространстве, то изменение одной из них приведет к мгновенному изменению второй.
Реализуется это примерно так. Есть два «запутанных» кубита, один, скажем, в Москве — А, второй в Нью-Йорке — В. Отправитель, находящийся в столице нашей необъятной родины, «запутывает» кубит А с еще одним кубитом информации. Теперь отправитель совершает измерение (по сути — запись данных) над этой системой. При этом кубит, находящийся Нью-Йорке, переходит в некое новое состояние. Физики это называют «коллапсирует». Слово «коллапс» вообще означает быстрое сжатие. В данном случае имеется в виду, что из потенциального множества состояний кубит В переходит в какое-то одно. В этот момент и осуществляется передача квантовой части информации. При этом объем переданных данных равен объему, записанному в исходной системе, и может быть сколь угодно большим. Однако восстановить переданную информацию пока невозможно, так как для получателя кубит В по-прежнему находится сразу во множестве состояний. Тогда отправитель высылает по классическому каналу результат своих измерений (всего два бита информации!). Из законов квантовой механики следует, что имея результат измерения, проведенного над парой кубитов отправителем, и запутанный с А кубит B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием кубита В и получить свою информацию.
Квантовая телепортация уже неоднократно осуществлялась в лабораториях, и, возможно, в будущем этот способ передачи данных сможет полноценно дополнить существующие. Представьте себе, что, приняв через интернет (или аналогичную классическую сеть) всего два бита информации, вы получаете сразу все собрание сочинений Пушкина, новый фильм или экспериментальные данные с орбитальной станции...