Kuinka kvantitietokoneet toimivat

Kvanttitietokone on tietokonesuunnittelu, joka käyttää seuraavia periaatteita: kvanttifysiikka lisätä laskentatehoa enemmän kuin mitä perinteisellä tietokoneella on saavutettavissa. Kvantitietokoneet on rakennettu pienikokoisiksi, ja niiden päivittämistä käytännöllisempiin malleihin jatketaan jatkuvasti.

Tietokoneet toimivat tallentamalla tietoja a binaarinumero - muodossa, mikä johtaa 1 - ja 0 - sarjaan, joka säilyy elektronisissa komponenteissa, kuten transistorit. Jokaista tietokoneen muistin komponenttia kutsutaan a: ksi bitti ja sitä voidaan manipuloida Boolen logiikan vaiheiden avulla niin, että bitit muuttuvat - algoritmit, joita tietokoneohjelma käyttää 1 - ja 0 - moodien välillä (joita kutsutaan joskus "päälle" ja "0") "vinossa").

Kvanttitietokone toisaalta tallentaisi informaation joko kahden, yhden, 0 tai kvanttina superpositiona. Tällainen "kvanttibitti" sallii paljon suuremman joustavuuden kuin binaarijärjestelmä.

Tarkemmin sanottuna kvantitietokone pystyy suorittamaan laskelmia huomattavasti suuremmalla luokkaa kuin perinteiset tietokoneet... konsepti, jolla on vakavia huolenaiheita ja sovelluksia salauksen ja salauksen alalla. Jotkut pelkäävät, että onnistunut ja käytännöllinen kvantitietokone tuhoaisi maailman rahoitusjärjestelmän kopioimalla heidän tietoturvansa salaus, joka perustuu faktointiin suuriin lukuihin, joita perinteiset tietokoneet eivät kirjaimellisesti pysty murtamaan maailmankaikkeus. Toisaalta kvantitietokone voisi tekijöitä numeroihin kohtuullisessa ajassa.

Tutustu tähän esimerkkiin ymmärtääksesi kuinka tämä nopeuttaa asioita. Jos qubit on tilan 1 ja 0 superpositiossa, ja se suoritti laskelman toisen qubitin kanssa sama superpositio, niin yksi laskelma todella antaa 4 tulosta: tulos 1/1, tulos 1/0, tulos 0/1 ja 0/0 tulos. Tämä on seurausta matematiikasta, jota sovelletaan kvanttijärjestelmään dekoorenssitilassa, joka kestää sen ollessa tilojen superpositiossa, kunnes se kaatuu yhteen tilaan. Kvantitietokoneen kykyä suorittaa useita laskelmia samanaikaisesti (tai rinnakkain, tietokoneellisesti) kutsutaan kvanttisuuntaisuudeksi.

Tarkka fyysinen mekanismi työssä kvantitietokoneessa on hieman teoreettisesti monimutkainen ja intuitiivisesti häiritsevä. Yleensä se selitetään kvanttifysiikan monimaailmaisella tulkinnalla, jossa tietokone suorittaa laskelmia paitsi universumissamme, myös muut maailmankaikkeuksia samanaikaisesti, kun taas erilaiset kvbitit ovat kvanttidehereenisyyden tilassa. Vaikka tämä kuulostaa kaukaa haetulta, monimaailmaisen tulkinnan on osoitettu antavan ennusteita, jotka vastaavat kokeellisia tuloksia.

Kvanttilaskenta pyrkii jäljittämään juurensa takaisin vuoden 1959 puheeseen Richard P. Feynman jossa hän puhui pienentämisen vaikutuksista, mukaan lukien ajatus kvantitehosteiden hyödyntämisestä tehokkaampien tietokoneiden luomiseksi. Tätä puhetta pidetään yleensä myös lähtökohtana nanoteknologia.

Tietenkin, ennen kuin laskennan kvanttivaikutukset voitiin toteuttaa, tutkijoiden ja insinöörien oli ponnisteltava paremmin perinteisten tietokoneiden tekniikkaa. Tästä syystä ajatus Feynmanin ehdotusten toteuttamisesta ei ollut juurikaan edistynyt eikä edes kiinnostunut monien vuosien ajan.

Vuonna 1985 Oxfordin yliopiston David Deutsch esitti ajatuksen "kvanttilogiikkaporteista" keinona valjastaa kvanttivaltakunta tietokoneen sisällä. Itse asiassa Deutschin aiheesta julkaistu asiakirja osoitti, että kvanttitietokone voi mallintaa mitä tahansa fyysistä prosessia.

Lähes vuosikymmentä myöhemmin, vuonna 1994, AT & T: n Peter Shor suunnitteli algoritmin, joka pystyi käyttämään vain 6 kvittiä joidenkin perustekijöiden suorittamiseen... mitä enemmän kyynärää, sitä monimutkaisemmiksi tekijöistä vaativista numeroista tuli tietysti.

Kourallinen kvantitietokoneita on rakennettu. Ensimmäinen, 2-bittinen kvanttitietokone vuonna 1998, voisi suorittaa triviaalisia laskelmia ennen kuin häviää dekoorenssi muutaman nanosekunnin kuluttua. Vuonna 2000 joukkueet rakensivat menestyksekkäästi sekä 4- että 7-bittisen kvantitietokoneen. Aiheen tutkimus on edelleen erittäin aktiivista, vaikka jotkut fyysikot ja insinöörit ilmaisevat huolensa vaikeuksista, joita liittyy näiden kokeiden korottamiseen täysimittaisiin laskentajärjestelmiin. Näiden alkuvaiheiden onnistuminen osoittaa silti, että perusteoria on vakaa.

Kvantitietokoneen tärkein haittapuoli on sama kuin sen vahvuus: kvanttitunnistus. Qubit-laskelmat suoritetaan, kun kvanttiaaltofunktio on superpositiossa tilojen välillä, mikä sallii sen suorittaa laskelmat käyttämällä sekä 1 että 0 tilaa samanaikaisesti.

Kuitenkin, kun minkä tahansa tyyppinen mittaus tehdään kvantijärjestelmälle, dehereeni hajoaa ja aaltofunktio romahtaa yhteen tilaan. Siksi tietokoneen on jotenkin jatkettava näiden laskelmien tekemistä tekemättä mittauksia oikeaan aikaan, jolloin se voi sitten pudota kvanttilasta, saada mittauksen tuloksen lukemiseksi, joka sitten siirretään muulle järjestelmään.

Tämän mittakaavan järjestelmän manipuloinnin fyysiset vaatimukset ovat huomattavat, koskettaen suprajohteiden, nanoteknologian ja kvanttielektroniikan, samoin kuin muidenkin piirejä. Jokainen näistä on itsessään hienostunut kenttä, jota kehitetään edelleen täysin, joten yritetään sulautua ne kaikki yhdessä toimivaksi kvantitietokoneeksi on tehtävä, jota en erityisen kadehdi ketään... paitsi henkilö, joka lopulta onnistuu.