Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές

Ο κβαντικός υπολογιστής είναι σχεδιασμός ηλεκτρονικών υπολογιστών ο οποίος χρησιμοποιεί τις αρχές του κβαντική φυσική για να αυξήσει την υπολογιστική ισχύ πέρα ​​από αυτό που είναι εφικτό από έναν παραδοσιακό υπολογιστή. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν χτιστεί σε μικρή κλίμακα και οι εργασίες συνεχίζουν να τις αναβαθμίζουν σε πιο πρακτικά μοντέλα.

Οι υπολογιστές λειτουργούν με την αποθήκευση δεδομένων σε ένα δυάδικος αριθμός, με αποτέλεσμα μια σειρά 1s & 0s που διατηρούνται σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως τρανζίστορ. Κάθε συνιστώσα της μνήμης του υπολογιστή ονομάζεται a κομμάτι και μπορεί να χειριστεί μέσω των βημάτων της λογικής Boolean έτσι ώστε τα bits να αλλάξουν, με βάση το αλγόριθμοι που εφαρμόζονται από το πρόγραμμα υπολογιστή, μεταξύ των τρόπων 1 και 0 (μερικές φορές αναφέρονται ως "on" και "μακριά από").

Από την άλλη πλευρά, ένας κβαντικός υπολογιστής θα αποθηκεύει τις πληροφορίες είτε ως 1, 0 είτε ως μια κβαντική υπέρθεση των δύο κρατών. Ένα τέτοιο "κβαντικό κομμάτι" επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη ευελιξία από το δυαδικό σύστημα.

Συγκεκριμένα, ένας κβαντικός υπολογιστής θα είναι σε θέση να εκτελεί υπολογισμούς σε πολύ μεγαλύτερη τάξη μεγέθους από τους παραδοσιακούς υπολογιστές... μια έννοια που έχει σοβαρές ανησυχίες και εφαρμογές στον τομέα της κρυπτογραφίας και της κρυπτογράφησης. Ορισμένοι φοβούνται ότι ένας επιτυχημένος και πρακτικός κβαντικός υπολογιστής θα κατέστρεφε το χρηματοπιστωτικό σύστημα του κόσμου, περνώντας από την ασφάλεια του υπολογιστή του κρυπτογράφησης, οι οποίες βασίζονται στον παράγοντα μεγάλων αριθμών που κυριολεκτικά δεν μπορούν να σπάσουν οι παραδοσιακοί υπολογιστές εντός της διάρκειας ζωής των σύμπαν. Από την άλλη πλευρά, ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να υπολογίσει τους αριθμούς σε εύλογο χρονικό διάστημα.

Για να κατανοήσετε πώς αυτό επιταχύνει τα πράγματα, σκεφτείτε αυτό το παράδειγμα. Αν το qubit είναι σε υπέρθεση της κατάστασης 1 και 0 και έχει πραγματοποιήσει έναν υπολογισμό με ένα άλλο qubit στο η ίδια υπέρθεση, τότε ένας υπολογισμός αποκτά πραγματικά 4 αποτελέσματα: ένα αποτέλεσμα 1/1, ένα αποτέλεσμα 1/0, ένα αποτέλεσμα 0/1 και ένα 0/0 αποτέλεσμα. Αυτό είναι αποτέλεσμα των μαθηματικών που εφαρμόζονται σε ένα κβαντικό σύστημα όταν βρίσκεται σε κατάσταση αποσύνθεσης, η οποία διαρκεί ενώ βρίσκεται σε υπερβολή κρατών έως ότου καταρρεύσει σε μία κατάσταση. Η ικανότητα ενός κβαντικού υπολογιστή να εκτελεί πολλαπλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα (ή παράλληλα, σε όρους υπολογιστή) ονομάζεται κβαντικός παραλληλισμός.

Ο ακριβής φυσικός μηχανισμός στην εργασία του κβαντικού υπολογιστή είναι κάπως θεωρητικά περίπλοκος και διαισθητικός ενοχλητικός. Γενικά, εξηγείται από την άποψη της πολυεθνικής ερμηνείας της κβαντικής φυσικής, όπου ο υπολογιστής εκτελεί υπολογισμούς όχι μόνο στο σύμπαν μας, αλλά και σε άλλα τα σύμπαντα ταυτόχρονα, ενώ τα διάφορα qubits βρίσκονται σε κατάσταση κβαντικής αποκάλυψης. Παρόλο που αυτό ακούγεται υπερβολικά, η ερμηνεία σε πολλές χώρες έχει δείξει ότι κάνει προβλέψεις που ταιριάζουν με τα πειραματικά αποτελέσματα.

Ο κβαντικός υπολογισμός τείνει να εντοπίσει τις ρίζες του πίσω σε μια ομιλία του 1959 Richard P. Feynman στην οποία μίλησε για τις επιπτώσεις της μικρογράφησης, συμπεριλαμβανομένης της ιδέας της εκμετάλλευσης των κβαντικών επιδράσεων για τη δημιουργία ισχυρότερων υπολογιστών. Αυτή η ομιλία θεωρείται επίσης γενικά ως σημείο εκκίνησης νανοτεχνολογία.

Φυσικά, προτού μπορέσουν να πραγματοποιηθούν οι κβαντικές επιδράσεις της πληροφορικής, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί έπρεπε να αναπτύξουν πληρέστερα την τεχνολογία των παραδοσιακών υπολογιστών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, εδώ και πολλά χρόνια, υπήρξε ελάχιστη άμεση πρόοδος, ούτε καν ενδιαφέρον, στην ιδέα να υλοποιηθούν οι προτάσεις του Feynman.

Το 1985, η ιδέα των "κβαντικών λογικών πύλων" τέθηκε από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, David Deutsch, ως μέσο για την αξιοποίηση της κβαντικής σφαίρας μέσα σε έναν υπολογιστή. Στην πραγματικότητα, το έγγραφο του Deutsch σχετικά με το θέμα έδειξε ότι οποιαδήποτε φυσική διαδικασία θα μπορούσε να διαμορφωθεί από έναν κβαντικό υπολογιστή.

Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, το 1994, ο Peter Shor της AT & T επινόησε έναν αλγόριθμο ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει μόνο 6 qubits για να εκτελέσει μερικές βασικές παραγοντοποιήσεις... περισσότερα πηνία, τόσο πιο πολύπλοκα οι αριθμοί που απαιτούν παραγοντοποίηση έγιναν φυσικά.

Έχει χτιστεί μια χούφτα κβαντικών υπολογιστών. Ο πρώτος, ένας κβαντικός υπολογιστής 2-qubit το 1998, θα μπορούσε να εκτελέσει ασήμαντους υπολογισμούς πριν χάσει την αποκάλυψη μετά από λίγα νανοδευτερόλεπτα. Το 2000, οι ομάδες δημιούργησαν με επιτυχία κβαντικό υπολογιστή 4-qubit και 7-qubit. Οι έρευνες για το θέμα εξακολουθούν να είναι πολύ δραστήριες, αν και ορισμένοι φυσικοί και μηχανικοί εκφράζουν ανησυχίες για τις δυσκολίες που συνεπάγεται η αναβάθμιση αυτών των πειραμάτων σε υπολογιστικά συστήματα πλήρους κλίμακας. Ακόμα, η επιτυχία αυτών των αρχικών βημάτων δείχνει ότι η θεμελιώδης θεωρία είναι υγιής.

Το κύριο μειονέκτημα του κβαντικού υπολογιστή είναι το ίδιο με την αντοχή του: κβαντική αποκάλυψη. Οι υπολογισμοί qubit εκτελούνται ενώ η λειτουργία κβαντικού κύματος βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης μεταξύ των κρατών, που είναι αυτό που της επιτρέπει να εκτελεί τους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας και τις δύο καταστάσεις 1 & 0 ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ.

Ωστόσο, όταν μια μέτρηση οποιουδήποτε τύπου γίνεται σε ένα κβαντικό σύστημα, η αποσύνδεση διασπάται και η συνάρτηση κύματος καταρρέει σε μία κατάσταση. Επομένως, ο υπολογιστής πρέπει κάπως να συνεχίσει να κάνει αυτούς τους υπολογισμούς χωρίς να έχει πραγματοποιήσει μετρήσεις μέχρι την κατάλληλη στιγμή, πότε τότε μπορεί να αποχωρήσει από την κβαντική κατάσταση, να λάβει μια μέτρηση για να διαβάσει το αποτέλεσμά της, η οποία στη συνέχεια μεταφέρεται στο υπόλοιπο της Σύστημα.

Οι φυσικές απαιτήσεις χειρισμού ενός συστήματος σε αυτή την κλίμακα είναι σημαντικές, αγγίζοντας τις σφαίρες των υπεραγωγών, της νανοτεχνολογίας και της κβαντικής ηλεκτρονικής, καθώς και άλλων. Καθένα από αυτά είναι το ίδιο ένα εξελιγμένο πεδίο που είναι ακόμα πλήρως ανεπτυγμένο, προσπαθώντας έτσι να συγχωνευθεί όλα μαζί σε έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή είναι ένα έργο που δεν ζηλεύω ιδιαίτερα ο καθενας... εκτός από το άτομο που τελικά έχει επιτυχία.