Ako fungujú kvantové počítače

Kvantový počítač je počítačový dizajn, ktorý využíva zásady kvantová fyzika zvýšiť výpočtovú silu nad rámec toho, čo sa dá dosiahnuť pomocou tradičného počítača. Kvantové počítače boli postavené v malom meradle a pokračuje sa v ich modernizácii na praktickejšie modely.

Počítače fungujú tak, že ukladajú údaje do a binárne číslo formát, ktorý vedie k sérii 1s a 0s uchovávaných v elektronických komponentoch ako napr tranzistory. Každá zložka počítačovej pamäte sa nazýva a trocha a možno s nimi manipulovať pomocou krokov logickej logiky tak, aby sa bity zmenili na základe - algoritmy používané počítačovým programom medzi režimami 1 a 0 (niekedy označované ako "on" a " "Off").

Na druhej strane kvantový počítač by ukladal informácie buď ako 1, 0 alebo ako kvantová superpozícia týchto dvoch stavov. Taký „kvantový bit“ umožňuje oveľa väčšiu flexibilitu ako binárny systém.

Konkrétne by kvantový počítač bol schopný vykonávať výpočty v oveľa väčšom rozsahu ako tradičné počítače... koncept, ktorý má vážne obavy a aplikácie v oblasti kryptografie a šifrovania. Niektorí sa obávajú, že úspešný a praktický kvantový počítač by zničil svetový finančný systém prelomením ich počítačovej bezpečnosti šifrovania, ktoré sú založené na faktoringu veľkého počtu, ktoré doslova nemôžu byť popraskané tradičnými počítačmi počas životnosti systému Windows vesmír. Na druhej strane kvantový počítač by mohol počítať čísla v primeranom časovom období.

Ak chcete pochopiť, ako sa to urýchli, zvážte tento príklad. Ak je qubit v superpozícii stavu 1 a stavu 0 a vykonal výpočet s iným qubitom v rovnaká superpozícia, potom jeden výpočet skutočne získa 4 výsledky: 1/1 výsledok, 1/0 výsledok, 0/1 výsledok a 0/0 vyplývať. Toto je výsledok matematiky aplikovanej na kvantový systém, keď je v stave decoherence, ktorý trvá, kým je v superpozícii štátov, až kým sa nezhroutí dole do jedného stavu. Schopnosť kvantového počítača vykonávať viac výpočtov súčasne (alebo paralelne, počítačovo) sa nazýva kvantový paralelizmus.

Presný fyzikálny mechanizmus pri práci v kvantovom počítači je do istej miery teoreticky zložitý a intuitívne rušivý. Všeobecne sa to vysvetľuje termínom viacsvetovej interpretácie kvantovej fyziky, kde počítač vykonáva výpočty nielen v našom vesmíre, ale aj v ostatné vesmíre súčasne, zatiaľ čo rôzne qubity sú v stave kvantovej decoherencie. Aj keď to znie veľmi pritiahnuté za vlasy, ukázalo sa, že interpretácia viacerých svetov vytvára predpoklady, ktoré zodpovedajú experimentálnym výsledkom.

Kvantové výpočty majú tendenciu vysledovať svoje korene späť k prejavu z roku 1959 Richard P. Feynman v ktorom hovoril o účinkoch miniaturizácie, vrátane myšlienky využívania kvantových efektov na vytvorenie výkonnejších počítačov. Táto reč sa všeobecne považuje za východiskový bod nanotechnológie.

Samozrejme predtým, ako sa mohli realizovať kvantové efekty výpočtovej techniky, museli vedci a inžinieri plne rozvíjať technológiu tradičných počítačov. Preto po mnoho rokov nedošlo k malému priamemu pokroku ani k záujmu o myšlienku zrealizovať Feynmanove návrhy.

V roku 1985 myšlienku „kvantových logických brán“ navrhol David Deutsch z University of Oxford ako prostriedok na využitie kvantovej ríše v počítači. V skutočnosti z nemeckej práce na túto tému vyplynulo, že akýkoľvek fyzikálny proces sa dá modelovať pomocou kvantového počítača.

O takmer desať rokov neskôr, v roku 1994, navrhol Peter & Shor spoločnosti AT&T algoritmus, ktorý by na vykonanie niektorých základných faktorizácií mohol použiť iba 6 jednotiek... čím viac lakťov, tým zložitejšie sa samozrejme stali čísla vyžadujúce faktorizáciu.

Bola postavená hŕstka kvantových počítačov. Prvý, kvantový počítač s 2 kvitálmi v roku 1998, mohol vykonať triviálne výpočty pred stratou decoherencie po niekoľkých nanosekundách. V roku 2000 tímy úspešne vybudovali kvantový počítač 4-štvorcový aj 7-štvorcový. Výskum v tejto oblasti je stále veľmi aktívny, hoci niektorí fyzici a inžinieri vyjadrujú znepokojenie nad ťažkosťami spojenými s rozširovaním týchto experimentov na počítačové systémy v plnom rozsahu. Úspech týchto počiatočných krokov napriek tomu ukazuje, že základná teória je správna.

Hlavnou nevýhodou kvantového počítača je jeho sila: kvantová dekherencia. Výpočty kriviek sa vykonávajú, keď je funkcia kvantovej vlny v superpozícii medzi stavmi, čo mu umožňuje vykonávať výpočty pomocou stavov 1 a 0 súčasne.

Ak sa však v kvantovom systéme vykoná meranie akéhokoľvek typu, dekolencia sa rozpadne a funkcia vĺn sa zrúti do jedného stavu. Počítač preto musí nejakým spôsobom pokračovať vo výpočtoch bez toho, aby musel vykonať akékoľvek merania až do správneho času, keď potom môže vypadnúť z kvantového stavu, nechať vykonať meranie na prečítanie jeho výsledku, ktorý sa potom prenesie do zvyšku Systém.

Fyzické požiadavky na manipuláciu so systémom v tomto rozsahu sú značné a dotýkajú sa sfér supravodičov, nanotechnológií a kvantovej elektroniky, ako aj ďalších. Každý z nich je sám osebe sofistikovaným poľom, ktoré sa stále plne rozvíja, takže sa snaží spojiť všetky dohromady do funkčného kvantového počítača je úloha, ktorej veľmi nezávidím niekto... s výnimkou osoby, ktorá nakoniec uspeje.