Jak pracují kvantové počítače

Kvantový počítač je návrh počítače, který používá principy kvantová fyzika zvýšit výpočetní sílu nad rámec toho, co je dosažitelné tradičním počítačem. Kvantové počítače byly postaveny v malém měřítku a pokračuje práce na jejich modernizaci na praktičtější modely.

Počítače fungují tak, že ukládají data do a binární číslo formát, který má za následek sérii 1s & 0s uchovanou v elektronických součástkách, jako je tranzistory. Každá součást počítačové paměti se nazývá a bit a lze s nimi manipulovat pomocí kroků logické logiky, takže se bity mění na základě - algoritmy používané počítačovým programem, mezi režimy 1 a 0 (někdy označované jako "on" a " "vypnuto").

Kvantový počítač, na druhé straně, by ukládal informace jako buď 1, 0, nebo jako kvantová superpozice těchto dvou stavů. Takový „kvantový bit“ umožňuje mnohem větší flexibilitu než binární systém.

Konkrétně by kvantový počítač byl schopen provádět výpočty na mnohem větším řádu než tradiční počítače... koncept, který má vážné obavy a aplikace v oblasti kryptografie a šifrování. Někteří se obávají, že úspěšný a praktický kvantový počítač by zničil světový finanční systém tím, že by propadl jejich počítačovým zabezpečením šifrování, která jsou založena na faktoringu velkých čísel, která doslova nemohou být rozbita tradičními počítači v průběhu života internetu vesmír. Kvantový počítač, na druhé straně, mohl čísla v přiměřené době faktorovat.

Chcete-li pochopit, jak se to urychluje, zvažte tento příklad. Pokud je qubit v superpozici stavu 1 a 0 a provedl výpočet s jiným qubitem v stejná superpozice, pak jeden výpočet skutečně získá 4 výsledky: 1/1 výsledek, 1/0 výsledek, 0/1 výsledek a 0/0 výsledek. Toto je výsledek matematiky aplikované na kvantový systém, když je ve stavu decoherence, který trvá, zatímco je v superpozici stavů, dokud se nerozpadne do jednoho stavu. Schopnost kvantového počítače provádět více výpočtů současně (nebo paralelně, počítačově) se nazývá kvantový paralelismus.

Přesný fyzický mechanismus při práci v kvantovém počítači je poněkud teoreticky složitý a intuitivně rušivý. Obecně je vysvětlen v termínech mnohonásobné interpretace kvantové fyziky, kde počítač provádí výpočty nejen v našem vesmíru, ale také v jiný vesmíry současně, zatímco různé qubity jsou ve stavu kvantové decoherence. I když to zní velmi přitažlivě, bylo ukázáno, že interpretace ve více světech vytváří předpovědi, které odpovídají experimentálním výsledkům.

Kvantový výpočet má tendenci sledovat jeho kořeny zpět k 1959 řeči Richard P. Feynman ve kterém mluvil o účincích miniaturizace, včetně myšlenky využití kvantových efektů k vytvoření výkonnějších počítačů. Tato řeč je také obecně považována za výchozí bod nanotechnologie.

Samozřejmě, než bylo možné realizovat kvantové efekty výpočetní techniky, museli vědci a inženýři více rozvíjet technologii tradičních počítačů. To je důvod, proč po mnoho let nedošlo k malému přímému pokroku ani k zájmu o myšlenku uskutečnit Feynmanovy návrhy.

V roce 1985 byla myšlenka „kvantových logických bran“ předložena Oxfordskou univerzitou Davida Deutschse jako prostředek k využití kvantové říše uvnitř počítače. Ve skutečnosti, německá práce na toto téma ukázala, že jakýkoli fyzický proces by mohl být modelován kvantovým počítačem.

Téměř o deset let později, v roce 1994, navrhl Peter & Shor AT & T algoritmus, který by mohl použít pouze 6 qubits k provedení některých základních faktorizací... čím více loket, tím složitější se samozřejmě stala čísla vyžadující faktorizaci.

Byla postavena hrstka kvantových počítačů. První, 2-kvbitový kvantový počítač v roce 1998, mohl provést triviální výpočty před ztrátou decoherence po několika nanosekundách. V roce 2000 týmy úspěšně vybudovaly kvantový počítač 4 a 7bit. Výzkum v této oblasti je stále velmi aktivní, ačkoli někteří fyzici a inženýři vyjadřují obavy z obtíží spojených s převyšováním těchto experimentů na výpočetní systémy v plném rozsahu. Přesto úspěch těchto počátečních kroků ukazuje, že základní teorie je dobrá.

Hlavní nevýhoda kvantového počítače je stejná jako jeho síla: kvantová dekherence. Výpočty qubit se provádějí, zatímco je funkce kvantové vlny ve stavu superpozice mezi stavy, což jí umožňuje provádět výpočty pomocí obou stavů 1 a 0 zároveň.

Když se však v kvantovém systému provede měření jakéhokoli typu, dekherence se rozpadne a funkce vlny se zhroutí do jediného stavu. Počítač tedy musí nějakým způsobem pokračovat v provádění těchto výpočtů, aniž by byla prováděna jakákoli měření do správného času, kdy pak může vypadnout z kvantového stavu, nechat provést měření, aby si přečetl svůj výsledek, který se pak přenese na zbytek Systém.

Fyzické požadavky na manipulaci se systémem v tomto měřítku jsou značné, dotýkají se sfér supravodičů, nanotechnologií a kvantové elektroniky, jakož i dalších. Každý z nich je sám o sobě sofistikované pole, které se stále plně rozvíjí, takže se snaží sloučit všechny dohromady do funkčního kvantového počítače je úkol, kterému moc nezávidím kdokoliv... kromě toho, kdo nakonec uspěje.