Протягом багатьох років квантові комп'ютери були не більш ніж ідеєю. Сьогодні компанії, уряди і спецслужби вкладають великі кошти в розвиток квантової технології.
Звичайні комп'ютери підкоряються законам класичної фізики. Вони покладаються на двійкові числа нуль і одиницю. Ці числа зберігаються і використовуються для математичних операцій. У звичайних блоках пам'яті кожен біт - найменша одиниця інформації - являє собою заряд, який визначає, чи встановлено біт на одиницю або нуль.
Однак у квантовому комп'ютері біт може бути як нулем, так і одиницею одночасно. Це пов'язано з тим, що закони квантової фізики дозволяють електронам зайняти кілька станів за один раз. Квантові біти або кубіти, таким чином, існують в декількох станах, що перекриваються.
Ця так звана суперпозиція дозволяє квантовим комп'ютерам виконувати операції за багатьма значеннями за один раз, тоді як один звичайний комп'ютер повинен послідовно виконувати всі ці операції. Перевага квантових обчислень полягає в здатності вирішувати певні проблеми значно швидше.
Роберт Кеніг, професор теорії складних квантових систем в TUM і його колеги тепер переконливо продемонстрували перевагу квантових комп'ютерів. З цією метою вони розробили квантову схему, яка може вирішити певну складну алгебраїчну задачу.
Нова схема має просту структуру - вона порожня лише фіксована кількість операцій на кожному кубіті. Така схема називається постійною глибиною. У своїй роботі дослідники доводять, що проблема не може бути вирішена з використанням класичних схем постійної глибини. Крім того, вони відповідають на питання про те, чому квантовий алгоритм перевершує будь-яку порівнянну класичну схему: квантовий алгоритм використовує нелокальність квантової фізики.
До цієї роботи перевага квантових комп'ютерів не була ні доведена, ні експериментально продемонстрована - незважаючи на те, що дані вказували в цьому напрямку. Одним із прикладів є квантовий алгоритм Шор, який ефективно вирішує проблему простої факторизації. Однак це лише гіпотеза про те, що ця проблема не може бути ефективно вирішена без квантових комп'ютерів. Також цілком можливо, що правильний підхід ще не був знайдений для класичних комп'ютерів.
Роберт Кеніг розглядає нові результати насамперед як внесок у теорію структурної складності. «Наш результат показує, що обробка квантової інформації дійсно дає переваги - без необхідності покладатися на недоведені теоретичні гіпотези складності», - говорить він.
Крім цього, робота забезпечує нові віхи на шляху до квантових комп'ютерів. Завдяки своїй простій структурі нова квантова схема є кандидатом на найближчу експериментальну реалізацію квантових алгоритмів.