Kako rade kvantna računala

Kvantno računalo je računalni dizajn koji koristi principe kvantna fizika povećati računsku snagu iznad onoga što je moguće postići tradicionalnim računalom. Kvantna računala izgrađena su u malom obimu i rad ih i dalje nadograđuje na praktičnije modele.

Računala funkcioniraju tako da pohranjuju podatke u a binarni broj format, što rezultira nizom oznaka 1 i 0 zadržanih u elektroničkim komponentama kao što su tranzistori. Svaka komponenta računalne memorije naziva se a bit i njima se može manipulirati kroz korake logičke logike tako da se bitovi mijenjaju, na temelju algoritmi koje primjenjuje računalni program, između načina 1 i 0 (ponekad se nazivaju "uključen" i "." "Off").

S druge strane, kvantno računalo pohranilo bi informacije kao 1, 0 ili kvantni superpozicija dviju stanja. Takav "kvantni zalogaj" omogućava daleko veću fleksibilnost od binarnog sustava.

Naime, kvantno računalo moglo bi obavljati proračune na daleko većem redu veličine nego tradicionalna računala... koncept koji ima ozbiljne probleme i primjene u području kriptografije i enkripcije. Neki se boje da bi uspješno i praktično kvantno računalo devastiralo svjetski financijski sustav probijajući im računalnu sigurnost enkripcije koje se temelje na faktoringu velikog broja koji tradicionalna računala doslovno ne mogu probiti unutar životnog vijeka sustava svemir. S druge strane, kvantno računalo može brojati brojeve u razumnom vremenskom razdoblju.

Da biste razumjeli kako se to ubrzava, razmotrite ovaj primjer. Ako je kubit superpozicija stanja 1 i 0, izvršio je proračun s drugim kbitom u isti superpozicija, tada jedan izračun zapravo postiže 4 rezultata: rezultat 1/1, rezultat 1/0, rezultat 0/1 i 0/0 proizlaziti. To je rezultat matematike primijenjene na kvantni sustav kada je u stanju dekoncentracije, koja traje dok je u superpoziciji stanja dok se ne sruši dolje u jedno stanje. Sposobnost kvantnog računala da istovremeno vrši više računanja (ili paralelno, računalno) naziva se kvantnim paralelizmom.

Točan fizički mehanizam koji djeluje unutar kvantnog računala pomalo je teoretski složen i intuitivno uznemirujući. Općenito, objašnjava se to multi-svjetskom interpretacijom kvantne fizike u kojoj računalo vrši proračune ne samo u našem svemiru, već i u drugo svemiri istodobno, dok su razni kubiti u stanju kvantne dekoherencije. Iako ovo zvuči nametljivo, pokazalo se da multi-svjetska interpretacija daje predviđanja koja odgovaraju eksperimentalnim rezultatima.

Kvantno računanje teži njegovim korijenima do govora iz 1959. godine Richard P. Feynman u kojem je govorio o učincima minijaturizacije, uključujući ideju iskorištavanja kvantnih efekata za stvaranje moćnijih računala. Taj se govor također općenito smatra polazištem nanotehnologija.

Prije nego što su se mogli ostvariti kvantni učinci računanja, znanstvenici i inženjeri morali su cjelovitije razviti tehnologiju tradicionalnih računala. Zbog toga je dugi niz godina došlo do malog izravnog napretka, pa čak ni interesa za ideju da se Feynmanove sugestije učine stvarnošću.

Sveučilište u Oxfordu David Deutsch je 1985. godine iznijelo ideju o "kvantnim logičkim vratima" kao sredstvu za iskorištavanje kvantne stvarnosti unutar računala. Zapravo, Deutschov rad na tu temu pokazao je da bilo koji fizički proces može biti modeliran kvantnim računalom.

Gotovo desetljeće kasnije, 1994. godine, Peter Shor iz AT&T-a izradio je algoritam koji je mogao koristiti samo 6 kubica za obavljanje nekih osnovnih faktorizacija... više lakata, složeniji su, naravno, postali brojevi koji zahtijevaju faktorizaciju.

Izgrađeno je nekoliko kvantnih računala. Prvo, 2-kbitno kvantno računalo 1998. godine, moglo je izvesti trivijalne proračune prije gubitka dekoherencije nakon nekoliko nanosekundi. U 2000., timovi su uspješno izgradili i četvero quit i kvantno računalo od 7 qubita. Istraživanje o ovoj temi i dalje je vrlo aktivno, iako neki fizičari i inženjeri izražavaju zabrinutost zbog poteškoća u povezivanju ovih eksperimenata s računalnim sustavima pune razmjere. Ipak, uspjeh ovih početnih koraka pokazuje da je temeljna teorija dobra.

Glavni nedostatak kvantnog računala jednak je njegovoj jačini: kvantna dekoherencija. Izračunavanje kita vrši se dok je kvantna valna funkcija u stanju superpozicije između stanja, što mu omogućava da izvršava proračune koristeći oba 1 i 0 stanja istovremeno.

Međutim, kada se vrši mjerenje bilo koje vrste u kvantnom sustavu, dekoherencija se raspada i valna funkcija se srušava u jedinstveno stanje. Stoga računalo mora nekako nastaviti s izračunima bez ikakvih mjerenja do odgovarajućeg vremena tada može ispasti iz kvantnog stanja, izvršiti mjerenje kako bi se očitao njegov rezultat, a koji će se onda prenijeti na ostatak sustav.

Fizički zahtjevi za manipulacijom sustavom u ovoj mjeri su veliki, koji se dotiču područja superprovodnika, nanotehnologije i kvantne elektronike, kao i drugih. Svako od njih je sam po sebi sofisticirano polje koje se još uvijek u potpunosti razvija, pa se pokušava spojiti njih sve zajedno u funkcionalno kvantno računalo je zadatak kojem ne posebno zavidim bilo tko... osim osobe koja napokon uspijeva.