Kako delujejo kvantni računalniki

Kvantni računalnik je računalniška zasnova, ki uporablja načela kvantna fizika povečati računsko moč nad tisto, kar je dosegljivo s tradicionalnim računalnikom. Kvantni računalniki so zgrajeni v majhnem obsegu in nadaljujejo z nadgradnjo na bolj praktične modele.

Računalniki delujejo s shranjevanjem podatkov v binarno število format, zaradi česar se niz 1 in 0 zadrži v elektronskih komponentah, kot so tranzistorji. Vsaka komponenta računalniškega pomnilnika se imenuje a bit in z njimi lahko manipuliramo skozi korake logične logike, tako da se biti spremenijo na podlagi algoritme, ki jih uporablja računalniški program, med načinoma 1 in 0 (včasih označen kot "vklopljen" in "izklopljeno").

Na drugi strani bi kvantni računalnik podatke shranjeval kot 1, 0 ali kvantno superpozicijo obeh stanj. Takšen "kvantni bit" omogoča veliko večjo prožnost kot binarni sistem.

Natančneje, kvantni računalnik bi lahko izvajal izračune na veliko večji red kot običajni 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 z razbijanjem njihove računalniške varnosti šifriranja, ki temeljijo na faktoringu velikega števila, ki ga tradicionalni računalniki dobesedno ne morejo zrušiti v življenjski dobi vesolje. Na drugi strani bi kvantni računalnik lahko številke določil v razumnem času.

Če želite razumeti, kako to pospeši stvari, upoštevajte ta primer. Če je kbit v superpoziciji 1 in 0, je opravil izračun z drugim kbitom v enaka superpozicija, potem en izračun ustvari 4 rezultate: rezultat 1/1, rezultat 1/0, rezultat 0/1 in 0/0 rezultat. To je rezultat matematike, ki se uporablja za kvantni sistem, ko je v stanju dekoherence, ki traja, ko je v superpoziciji stanj, dokler se ne zruši navzdol v eno stanje. Sposobnost kvantnega računalnika, da hkrati izvede več računov (ali vzporedno, računalniško), imenujemo kvantni paralelizem.

Natančen fizični mehanizem pri delu znotraj kvantnega računalnika je nekoliko teoretično zapleten in intuitivno moteč. Na splošno je razloženo z večsvetno razlago kvantne fizike, kjer računalnik izvaja izračune ne samo v našem vesolju, ampak tudi v drugo vesolja hkrati, medtem ko so različni kiti v kvantni dekoherenci. Medtem ko se to sliši navidezno, je razvidno, da večsvetovna interpretacija napoveduje rezultate eksperimentalnih rezultatov.

Kvantno računalništvo ponavadi sledi koreninam iz govora iz leta 1959 Richard P. Feynman v katerem je govoril o učinkih miniaturizacije, vključno z idejo o izkoriščanju kvantnih učinkov za ustvarjanje močnejših računalnikov. Ta govor se na splošno šteje tudi za izhodišče nanotehnologija.

Seveda so morali znanstveniki in inženirji, preden so se uresničili kvantni učinki računalništva, bolj celovito razviti tehnologijo tradicionalnih računalnikov. Zato je bilo dolga leta pri neposredni zamisli, da bi Feynmanove sugestije uresničili, resnično ne dosežen niti neposreden napredek.

Leta 1985 je zamisel o "kvantnih logičnih vratih" z univerze v Oxfordu David Deutsch predstavil kot sredstvo za izkoriščanje kvantne realnosti znotraj računalnika. Dejansko je Deutsch-jev prispevek na to temo pokazal, da lahko vsak fizični proces modelira kvantni računalnik.

Skoraj desetletje pozneje, leta 1994, je Peter Shor iz AT & T-a zasnoval algoritem, s katerim je za izvedbo nekaterih osnovnih faktorizatorjev lahko uporabil le 6 kubic... več kubikov, bolj zapletene so postale številke, ki zahtevajo faktorizacijo.

Zgrajenih je bilo nekaj kvantnih računalnikov. Prvi, 2-kbitni kvantni računalnik leta 1998, je lahko opravil trivialne izračune, preden je izgubil dekoherenco po nekaj nanosekundah. Leta 2000 so ekipe uspešno zgradile tako 4-qubit kot 7-qubit kvantni računalnik. Raziskave na to temo so še vedno zelo aktivne, čeprav nekateri fiziki in inženirji izražajo zaskrbljenost zaradi težav, povezanih s povečanjem teh poskusov na računalniške sisteme v celotnem obsegu. Kljub temu pa uspeh teh začetnih korakov kaže, da je temeljna teorija trdna.

Glavna pomanjkljivost kvantnega računalnika je enaka njegovi moči: kvantna dekoherenca. Izračuni kita se izvajajo, ko je funkcija kvantnega vala v stanju superpozicije med stanji, kar mu omogoča, da izvede izračune z uporabo obeh 1 in 0 stanj hkrati.

Ko pa se izvede merjenje katere koli vrste v kvantnem sistemu, se dekoherenca pokvari in valovna funkcija propade v eno samo stanje. Zato mora računalnik nekako nadaljevati s temi izračuni, ne da bi izvedel meritve do pravega časa nato lahko zapusti kvantno stanje, izvede meritev, da se odčita njen rezultat, ki se nato prenese na preostali del sistem.

Fizične zahteve za upravljanje s sistemom v tej lestvici so velike, ki se dotikajo področja superprevodnikov, nanotehnologije in kvantne elektronike ter drugih. Vsak od njih je sam po sebi prefinjeno področje, ki se še vedno v celoti razvija, zato ga poskušamo združiti vse skupaj v funkcionalni kvantni računalnik je naloga, ki ji ne zavidam posebej kdo... razen osebe, ki ji končno uspe.