Одним из ключевых понятий квантовой механики является суперпозиция – способность квантовых систем находиться одновременно в нескольких различных состояниях до момента измерения. Это не означает, что мы просто не знаем, в каком состоянии находится система – она действительно существует во всех возможных состояниях одновременно, каждое с определенной вероятностью. Классическая аналогия суперпозиции – это монета, подброшенная в воздух и вращающаяся, которая одновременно является и орлом, и решкой до тех пор, пока не упадет и не покажет определенную сторону.
Еще более загадочным является явление квантовой запутанности – особое состояние, при котором две или более частицы образуют единую квантовую систему, сохраняющую свою целостность независимо от расстояния между частицами. Когда частицы запутаны, измерение свойств одной из них мгновенно определяет соответствующие свойства других, что Альберт Эйнштейн называл "жутким дальнодействием" и долгое время отказывался принимать как реальное явление. Однако многочисленные эксперименты подтвердили существование квантовой запутанности и показали, что она является фундаментальным свойством квантового мира.
Параллельно с развитием квантовой механики в середине XX века возникла теория информации, заложившая математические основы для понимания и измерения информации. Клод Шеннон, основатель современной теории информации, определил информацию как меру неопределенности и ввел понятие бита – базовой единицы информации, которая может находиться в одном из двух состояний: 0 или 1. Вся современная цифровая технология основана на манипулировании битами информации, и именно биты стали фундаментальными элементами информационной революции.
Квантовая теория информации, возникшая на стыке квантовой механики и классической теории информации, ввела понятие кубита – квантового бита, который благодаря принципу суперпозиции может одновременно находиться в состояниях 0 и 1. Это означает, что один кубит может хранить значительно больше информации, чем классический бит, а система из нескольких кубитов способна обрабатывать экспоненциально больше информации, чем соответствующая классическая система. Именно на этом принципе основаны квантовые компьютеры, которые обещают революционизировать вычислительные возможности человечества.