Квантовые вычисления похожи на коробку шоколадных конфет Форреста Гампа: никогда не знаешь, что получишь в итоге. Квантовые явления — поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровнях — так или иначе, не поддаются определению. Это непрозрачные облака возможностей, или, точнее, вероятностей. Когда кто-то наблюдает квантовую систему, она теряет свою квантовость и "коллапсирует" в определенное состояние. Квантовые явления загадочны и часто противоречат здравому смыслу. Это затрудняет понимание квантовых вычислений. Люди, естественно, обращаются к знакомому, пытаясь объяснить незнакомое, и для квантовых вычислений это обычно означает использование традиционных двоичных вычислений в качестве метафоры. Но объяснение квантовых вычислений таким образом приводит к серьезной концептуальной путанице, потому что на базовом уровне это совершенно разные животные.
Эта проблема подчеркивает часто ошибочное мнение о том, что обычные метафоры более полезны, чем экзотические, при объяснении новых технологий. Иногда более полезен противоположный подход. Свежесть метафоры должна соответствовать новизне открытия. Уникальность квантовых компьютеров требует необычной метафоры. Как исследователь в области коммуникаций, изучающий технологии, я считаю, что квантовые компьютеры можно лучше рассматривать как калейдоскопы. Разница между пониманием классических и квантовых компьютеров огромна. Классические компьютеры хранят и обрабатывают информацию с помощью транзисторов, которые представляют собой электронные устройства, принимающие двоичные, детерминированные состояния: единица или ноль, да или нет. Квантовые компьютеры, напротив, обрабатывают информацию вероятностно на атомном и субатомном уровнях.
Классические компьютеры используют поток электричества для последовательного открытия и закрытия шлюзов, чтобы записывать информацию или манипулировать ею. Информация проходит по цепям, запуская действия с помощью ряда переключателей, которые записывают информацию в виде единиц и нулей. Используя двоичную математику, биты являются основой всего цифрового, от приложений на вашем телефоне до записей по счету в вашем банке и сигналов Wi-Fi, распространяющихся по вашему дому. В отличие от этого, квантовые компьютеры используют изменения в квантовых состояниях атомов, ионов, электронов или фотонов. Квантовые компьютеры связывают или запутывают множество квантовых частиц, так что изменения в одной из них влияют на все остальные. Затем они создают интерференционные картины, подобные нескольким камешкам, брошенным в пруд одновременно. Некоторые волны, объединяясь, создают более высокие пики, в то время как некоторые волны и впадины, объединяясь, нейтрализуют друг друга. Тщательно откалиброванные интерференционные картины направляют квантовый компьютер к решению проблемы.
Термин "бит" является метафорой. Это слово предполагает, что во время вычислений компьютер может разбивать большие значения на крошечные — биты информации, которые легче обрабатывать электронным устройствам, таким как транзисторы. Однако использование подобных метафор сопряжено с определенными затратами. Они не идеальны. Метафоры - это неполные сравнения, которые переносят знания с того, что люди хорошо знают, на то, над чем они работают, чтобы понять. Битовая метафора игнорирует тот факт, что бинарный метод не имеет дело со многими типами различных битов одновременно, как мог бы предположить здравый смысл. Вместо этого все биты одинаковы. Наименьшая единица квантового компьютера называется квантовым битом, или кубитом. Но перенос метафоры с битом на квантовые вычисления еще менее адекватен, чем ее использование для классических вычислений. Перенос метафоры из одного применения в другое ослабляет ее эффект.
Распространенное объяснение квантовых вычислений состоит в том, что в то время как классические компьютеры могут хранить или обрабатывать только ноль или единицу в транзисторе или другом вычислительном блоке, квантовые компьютеры предположительно хранят и обрабатывают как ноль, так и единицу, а также другие промежуточные значения одновременно посредством процесса суперпозиции. Однако при суперпозиции не сохраняется единица, ноль или любое другое число одновременно. Существует только предположение, что в конце вычисления значения могут быть равны нулю или единице. Эта квантовая вероятность является полной противоположностью двоичному методу хранения информации. Исходя из принципа неопределенности квантовой науки, вероятность того, что кубит хранит единицу или ноль, подобна коту Шредингера, который может быть либо живым, либо мертвым, в зависимости от того, когда вы за ним наблюдаете. Но эти два разных значения не существуют одновременно во время наложения. Они существуют только как вероятности, и наблюдатель не может определить, когда и как часто эти значения существовали до того, как наблюдение положило конец суперпозиции.
Отказ от этих проблем, связанных с использованием традиционных бинарных вычислительных метафор, означает использование новых метафор для объяснения квантовых вычислений. Метафора калейдоскопа особенно подходит для объяснения квантовых процессов. Калейдоскопы могут создавать бесконечно разнообразные, но упорядоченные узоры, используя ограниченное количество цветных стеклянных шариков, зеркальные перегородки и свет. Вращение калейдоскопа усиливает эффект, создавая бесконечно изменчивое зрелище из мимолетных цветов и форм. Формы не только меняются, но и не могут быть изменены наоборот. Если вы повернете калейдоскоп в противоположном направлении, изображения в целом останутся прежними, но точный состав каждой формы или даже их структура будут меняться, поскольку бусинки будут случайным образом перемешиваться друг с другом. Другими словами, хотя бусины, свет и зеркала могут воспроизводить некоторые узоры, показанные ранее, они никогда не будут абсолютно одинаковыми.
Используя метафору калейдоскопа, можно сказать, что решение, которое выдает квантовый компьютер, — конечная схема — зависит от того, когда вы останавливаете вычислительный процесс. Квантовые вычисления - это не угадывание состояния какой-либо конкретной частицы, а использование математических моделей того, как взаимодействие между многими частицами в различных состояниях создает закономерности, называемые квантовыми корреляциями. Каждый конечный шаблон - это ответ на задачу, поставленную перед квантовым компьютером, и то, что вы получаете в результате квантовых вычислений, - это вероятность того, что в результате получится определенная конфигурация. Метафоры делают неизвестное управляемым, доступным и познаваемым. Приближение значения удивительного объекта или явления путем расширения существующей метафоры - это метод, который так же стар, как название лезвия топора "долото", а его плоского конца - "обух". Эти две метафоры используют то, что мы очень хорошо понимаем из повседневной жизни, применяя это к технологии, которая нуждается в специальном объяснении того, что она делает.
Название режущей кромки топора "долото" намекает на то, что оно делает, добавляя нюанс, заключающийся в том, что оно изменяет объект, к которому применяется. Когда топор обтесывает или раскалывает кусок дерева, он "откусывает" от него кусочек. Метафоры, однако, дают гораздо больше, чем просто удобные обозначения и объяснения новых процессов. Слова, которые люди используют для описания новых концепций, со временем меняются, расширяясь и обретая самостоятельную жизнь. Сталкиваясь с кардинально отличающимися идеями, технологиями или научными явлениями, важно использовать свежие и яркие термины, чтобы расширить кругозор и улучшить понимание. Ученым и инженерам, стремящимся объяснить новые концепции, не мешало бы проявить оригинальность и овладеть метафорами — другими словами, задуматься о словах так, как это делают поэты.
