Kvantni računalniki in kvantna fizika

CC0 javna domena

Kvantni računalnik je računalniška zasnova, ki uporablja načela kvantna fizika povečati računalniško moč nad tisto, kar je dosegljiv s tradicionalnim računalnikom. Kvantni računalniki so bili zgrajeni v majhnem obsegu in delo se nadaljuje za njihovo nadgradnjo v bolj praktične modele.

Kako delujejo računalniki

Računalniki delujejo tako, da podatke shranjujejo v a binarno število formatu, kar ima za posledico niz 1 in 0, ohranjenih v elektronskih komponentah, kot je npr tranzistorji . Vsaka komponenta računalniškega pomnilnika se imenuje a bit in jih je mogoče manipulirati s koraki Boolove logike, tako da se biti spreminjajo na podlagi algoritmov, ki jih uporablja računalniški program, med načinoma 1 in 0 (včasih imenovani 'vklop' in 'izklop').

Kako bi kvantni računalnik deloval

Po drugi strani pa bi kvantni računalnik shranjeval informacije kot 1, 0 ali kvantno superpozicijo obeh stanj. Tak 'kvantni bit' omogoča veliko večjo prilagodljivost kot binarni sistem.

Natančneje, kvantni računalnik bi bil sposoben izvajati izračune na veliko večjem vrstnem redu kot tradicionalni računalniki ... koncept, ki ima resne pomisleke in aplikacije na področju kriptografije in šifriranja. Nekateri se bojijo, da bi uspešen in praktičen kvantni računalnik opustošil svetovni finančni sistem s tem, da bi razdrl njihove računalniške varnostne šifre, ki temeljijo na faktoriziranju velikih števil, ki jih tradicionalni računalniki v življenjski dobi vesolja dobesedno ne morejo vdreti. Po drugi strani pa bi lahko kvantni računalnik faktoriziral številke v razumnem časovnem obdobju.

Če želite razumeti, kako to pospeši stvari, razmislite o tem primeru. Če je kubit v superpoziciji stanja 1 in stanja 0 in je izvedel izračun z drugim kubitom v isti superpoziciji, potem en izračun dejansko pridobi 4 rezultate: rezultat 1/1, rezultat 1/0, Rezultat 0/1 in rezultat 0/0. To je rezultat matematike, ki se uporablja za kvantni sistem, ko je v stanju dekoherence, ki traja, medtem ko je v superpoziciji stanj, dokler se ne zruši v eno stanje. Sposobnost kvantnega računalnika, da izvaja več izračunov hkrati (ali vzporedno, v računalniškem smislu), se imenuje kvantni paralelizem.

Natančen fizični mehanizem, ki deluje v kvantnem računalniku, je nekoliko teoretično zapleten in intuitivno moteč. Na splošno je razloženo v smislu večsvetovne interpretacije kvantne fizike, kjer računalnik izvaja izračune ne samo v našem vesolju, temveč tudi v drugo vesolja hkrati, medtem ko so različni kubiti v stanju kvantne dekoherence. Čeprav se to sliši namišljeno, se je pokazalo, da interpretacija več svetov daje napovedi, ki se ujemajo z eksperimentalnimi rezultati.

Zgodovina kvantnega računalništva

Kvantno računalništvo sega v govor iz leta 1959 Richard P. Feynman v katerem je govoril o učinkih miniaturizacije, vključno z idejo o izkoriščanju kvantnih učinkov za ustvarjanje zmogljivejših računalnikov. Ta govor na splošno velja tudi za izhodišče nanotehnologija .

Seveda so morali znanstveniki in inženirji, preden so lahko uresničili kvantne učinke računalništva, v celoti razviti tehnologijo tradicionalnih računalnikov. Zato dolga leta ni bilo neposrednega napredka, niti zanimanja za idejo o uresničevanju Feynmanovih predlogov.

Leta 1985 je David Deutsch z univerze v Oxfordu predstavil zamisel o 'kvantnih logičnih vratih' kot sredstvo za izkoriščanje kvantnega kraljestva znotraj računalnika. Pravzaprav je Deutschov članek o tej temi pokazal, da je vsak fizični proces mogoče modelirati s kvantnim računalnikom.

Skoraj desetletje pozneje, leta 1994, je Peter Shor iz AT&T zasnoval algoritem, ki je lahko uporabil le 6 kubitov za izvedbo nekaterih osnovnih faktorizacij ... več komolcev, bolj zapletena so seveda postala števila, ki zahtevajo faktorizacijo.

Zgrajena je bila peščica kvantnih računalnikov. Prvi, 2-kubitni kvantni računalnik iz leta 1998, je lahko izvajal trivialne izračune, preden je po nekaj nanosekundah izgubil dekoherenco. Leta 2000 so ekipe uspešno zgradile tako 4-kubitni kot 7-kubitni kvantni računalnik. Raziskave na to temo so še vedno zelo aktivne, čeprav nekateri fiziki in inženirji izražajo zaskrbljenost zaradi težav pri nadgradnji teh poskusov na računalniške sisteme polnega obsega. Kljub temu uspeh teh začetnih korakov kaže, da je temeljna teorija trdna.

Težave s kvantnimi računalniki

Glavna pomanjkljivost kvantnega računalnika je enaka njegovi moči: kvantna dekoherenca. Izračuni kubitov se izvajajo, medtem ko je kvantna valovna funkcija v stanju superpozicije med stanji, kar ji omogoča izvajanje izračunov z uporabo stanj 1 in 0 hkrati.

Vendar, ko se v kvantnem sistemu opravi kakršna koli meritev, se dekoherenca prekine in valovna funkcija se sesede v eno samo stanje. Zato mora računalnik nekako nadaljevati s temi izračuni, ne da bi opravil kakršne koli meritve, dokler v pravem času, ko lahko nato izstopi iz kvantnega stanja, izvede meritev, da prebere rezultat, ki se nato posreduje ostalim sistem.

Fizične zahteve za manipulacijo sistema v tem obsegu so znatne in se dotikajo področij superprevodnikov, nanotehnologije in kvantne elektronike ter drugih. Vsako od teh je že samo po sebi sofisticirano področje, ki je še v polnem razvoju, zato je poskus združiti vse skupaj v funkcionalen kvantni računalnik naloga, ki je nikomur posebej ne zavidam ... razen tistemu, ki mu končno uspe.