Jak działają komputery kwantowe

Komputer kwantowy to projekt komputerowy, który wykorzystuje zasady Fizyka kwantowa aby zwiększyć moc obliczeniową ponad możliwości tradycyjnego komputera. Komputery kwantowe zostały zbudowane na małą skalę i trwają prace nad ich ulepszeniem do bardziej praktycznych modeli.

Komputery działają, przechowując dane w Liczba binarna format, w wyniku którego zachowana jest seria zer i zer zachowanych w komponentach elektronicznych, takich jak tranzystory. Każdy element pamięci komputera nosi nazwę a kawałek i można nimi manipulować poprzez etapy logiki boolowskiej, tak że bity zmieniają się w zależności od algorytmy stosowane przez program komputerowy, między trybami 1 i 0 (czasami określane jako „on” i "poza").

Z drugiej strony komputer kwantowy przechowywałby informacje jako 1, 0 lub kwantową superpozycję dwóch stanów. Taki „bit kwantowy” pozwala na znacznie większą elastyczność niż układ binarny.

W szczególności komputer kwantowy byłby w stanie wykonywać obliczenia na znacznie większym rzędzie wielkości niż tradycyjne komputery... koncepcja, która ma poważne obawy i zastosowania w dziedzinie kryptografii i szyfrowania. Niektórzy obawiają się, że skuteczny i praktyczny komputer kwantowy zdewastuje światowy system finansowy, niszcząc zabezpieczenia komputera szyfrowanie oparte na faktorowaniu dużych liczb, które dosłownie nie mogą zostać złamane przez tradycyjne komputery w ciągu okresu użytkowania wszechświat. Z drugiej strony komputer kwantowy może uwzględniać liczby w rozsądnym czasie.

Aby zrozumieć, jak to przyspiesza, rozważ ten przykład. Jeśli kubit znajduje się w superpozycji stanu 1 i stanu 0, i wykonał obliczenia z innym kubitem w ta sama superpozycja, wtedy jedno obliczenie faktycznie uzyskuje 4 wyniki: wynik 1/1, wynik 1/0, wynik 0/1 i 0/0 wynik. Jest to wynik matematyki zastosowanej do układu kwantowego, gdy znajduje się on w stanie dekoherencji, który trwa, gdy jest on w superpozycji stanów, dopóki nie zapadnie się w jeden stan. Zdolność komputera kwantowego do wykonywania wielu obliczeń jednocześnie (lub równolegle, w kategoriach komputerowych) nazywa się równoległością kwantową.

Dokładny mechanizm fizyczny działający w komputerze kwantowym jest nieco teoretycznie złożony i intuicyjnie niepokojący. Zasadniczo jest to wyjaśnione w kategoriach wieloświatowej interpretacji fizyki kwantowej, w której komputer wykonuje obliczenia nie tylko w naszym wszechświecie, ale także w inny wszechświaty jednocześnie, podczas gdy różne kubity są w stanie dekoherencji kwantowej. Choć wydaje się to zbyt daleko idące, wykazano, że interpretacja wielu światów pozwala przewidywać, które pasują do wyników eksperymentalnych.

Informatyka kwantowa ma swoje korzenie w mowie z 1959 roku Richard P. Feynman w którym mówił o skutkach miniaturyzacji, w tym o idei wykorzystania efektów kwantowych do stworzenia mocniejszych komputerów. To przemówienie jest również ogólnie uważane za punkt wyjścia nanotechnologia.

Oczywiście zanim kwantowe efekty obliczeniowe mogły zostać zrealizowane, naukowcy i inżynierowie musieli pełniej rozwinąć technologię tradycyjnych komputerów. Właśnie dlatego przez wiele lat nie było bezpośredniego postępu, a nawet zainteresowania pomysłem wprowadzenia w życie sugestii Feynmana.

W 1985 r. Pomysł „bramek logiki kwantowej” wysunął David Deutsch z University of Oxford jako sposób na wykorzystanie królestwa kwantowego w komputerze. W rzeczywistości praca Deutscha na ten temat wykazała, że ​​każdy proces fizyczny może być modelowany przez komputer kwantowy.

Prawie dziesięć lat później, w 1994 r., Peter Shor z AT&T opracował algorytm, który mógłby wykorzystać tylko 6 kubitów do wykonania podstawowych faktoryzacji... im więcej łokci, tym bardziej złożone stały się liczby wymagające faktoryzacji.

Zbudowano garść komputerów kwantowych. Pierwszy, 2-kubitowy komputer kwantowy w 1998 r., Mógł wykonywać trywialne obliczenia, zanim straci dekoherencję po kilku nanosekundach. W 2000 r. Zespoły z powodzeniem zbudowały komputer kwantowy 4-kubitowy i 7-kubitowy. Badania na ten temat są nadal bardzo aktywne, chociaż niektórzy fizycy i inżynierowie wyrażają zaniepokojenie trudnościami związanymi z rozbudową tych eksperymentów do pełnowymiarowych systemów obliczeniowych. Jednak sukces tych początkowych kroków pokazuje, że podstawową teorią jest rozsądna.

Główna wada komputera kwantowego jest taka sama jak jego siła: kwantowa dekoherencja. Obliczenia kubitowe są wykonywane, gdy funkcja fali kwantowej znajduje się w stanie superpozycji między stanami, co pozwala mu wykonywać obliczenia przy użyciu obu stanów 1 i 0 równocześnie.

Kiedy jednak dokonuje się pomiaru dowolnego rodzaju w układzie kwantowym, dekoherencja rozpada się, a funkcja falowa zapada się w jeden stan. Dlatego komputer musi jakoś kontynuować wykonywanie tych obliczeń bez dokonywania jakichkolwiek pomiarów aż do właściwego czasu, kiedy może wówczas spaść ze stanu kwantowego, wykonać pomiar w celu odczytania jego wyniku, który następnie zostanie przekazany pozostałej części system.

Wymagania fizyczne manipulowania systemem na taką skalę są znaczne, dotykając królestw nadprzewodników, nanotechnologii i elektroniki kwantowej, a także innych. Każda z nich jest sama w sobie wyrafinowaną dziedziną, która wciąż jest w pełni rozwijana, więc próbuje się połączyć wszystkie razem w funkcjonalny komputer kwantowy to zadanie, którego szczególnie nie zazdroszczę ktoś... z wyjątkiem osoby, która w końcu odniesie sukces.