Как работают квантовые компьютеры

Квантовый компьютер - это компьютерный дизайн, использующий принципы квантовая физика увеличить вычислительную мощность сверх того, что достижимо с помощью традиционного компьютера. Квантовые компьютеры были построены в небольших масштабах, и продолжается работа по их обновлению до более практичных моделей.

Компьютеры функционируют, сохраняя данные в двоичное число формат, в результате чего ряды 1 и 0 сохраняются в электронных компонентах, таких как транзисторы. Каждый компонент компьютерной памяти называется немного и может управляться с помощью шагов булевой логики, так что биты меняются, основываясь на алгоритмы, применяемые компьютерной программой, между режимами 1 и 0 (иногда их называют «вкл.» и "Выключено").

С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить информацию в виде 1, 0 или квантовой суперпозиции двух состояний. Такой «квантовый бит» обеспечивает гораздо большую гибкость, чем двоичная система.

В частности, квантовый компьютер сможет выполнять вычисления на гораздо больший порядок, чем традиционные компьютеры... концепция, которая имеет серьезные проблемы и применения в области криптографии и шифрования. Некоторые опасаются, что успешный и практичный квантовый компьютер разрушит мировую финансовую систему, разрушив их компьютерную безопасность. шифрования, которые основаны на факторизации больших количеств, которые буквально не могут быть взломаны традиционными компьютерами в течение срока службы Вселенная. Квантовый компьютер, с другой стороны, может вычислять числа за разумный период времени.

Чтобы понять, как это ускоряет процесс, рассмотрим этот пример. Если кубит находится в суперпозиции состояния 1 и состояния 0, и он выполнил вычисление с другим кубитом в та же самая суперпозиция, тогда одно вычисление фактически получает 4 результата: результат 1/1, результат 1/0, результат 0/1 и 0/0 результат. Это результат математики, примененной к квантовой системе, когда она находится в состоянии декогеренции, которая длится, пока она находится в суперпозиции состояний, пока она не разрушится в одно состояние. Способность квантового компьютера выполнять несколько вычислений одновременно (или параллельно, в терминах компьютера) называется квантовым параллелизмом.

Точный физический механизм, действующий в квантовом компьютере, является несколько теоретически сложным и интуитивно беспокоящим. Как правило, это объясняется с точки зрения многомировой интерпретации квантовой физики, когда компьютер выполняет вычисления не только в нашей вселенной, но и в Другой Вселенные одновременно, в то время как различные кубиты находятся в состоянии квантовой декогеренции. Хотя это звучит неправдоподобно, мультимирная интерпретация, как было показано, делает прогнозы, которые соответствуют экспериментальным результатам.

Квантовые вычисления имеют тенденцию прослеживать свои корни до речи 1959 года Ричард П. Фейнман в котором он говорил об эффектах миниатюризации, в том числе об идее использования квантовых эффектов для создания более мощных компьютеров. Эта речь также обычно считается отправной точкой нанотехнологии.

Конечно, прежде чем квантовые эффекты вычислений могут быть реализованы, ученые и инженеры должны были более полно разработать технологию традиционных компьютеров. Вот почему в течение многих лет не было никакого прямого прогресса или даже интереса к идее претворения предложений Фейнмана в реальность.

В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета выдвинул идею «квантовых логических элементов» в качестве средства использования квантового царства внутри компьютера. Фактически, статья Дойча на эту тему показала, что любой физический процесс может быть смоделирован квантовым компьютером.

Почти десятилетие спустя, в 1994 году, Питер Шор из AT & T разработал алгоритм, который мог бы использовать только 6 кубитов для выполнения некоторых основных факторизаций... конечно, чем больше локтей, тем сложнее становятся числа, требующие факторизации.

Горстка квантовых компьютеров была построена. Первый, 2-кубитный квантовый компьютер в 1998 году, мог выполнять тривиальные вычисления, прежде чем потерял декогеренцию через несколько наносекунд. В 2000 году команды успешно создали квантовый компьютер с 4 и 7 кубитами. Исследования по этому вопросу все еще очень активны, хотя некоторые физики и инженеры выражают обеспокоенность по поводу трудностей, связанных с масштабированием этих экспериментов до полномасштабных вычислительных систем. Тем не менее, успех этих начальных шагов действительно показывает, что фундаментальная теория обоснована.

Основной недостаток квантового компьютера такой же, как и его сила: квантовая декогеренция. Расчеты кубита выполняются, когда квантовая волновая функция находится в состоянии суперпозиции между состояниями, что позволяет выполнять вычисления с использованием состояний 1 и 0 одновременно.

Однако, когда измерение любого типа выполняется в квантовой системе, декогеренция нарушается, и волновая функция разрушается в одно состояние. Следовательно, компьютер должен каким-то образом продолжать выполнять эти вычисления, не проводя никаких измерений до надлежащего времени, когда затем он может выпасть из квантового состояния, выполнить измерение, чтобы прочитать его результат, который затем передается остальной части система.

Физические требования к манипулированию системой в таком масштабе значительны, затрагивая области сверхпроводников, нанотехнологий и квантовой электроники, а также других. Каждая из них сама по себе является сложной областью, которая все еще полностью развивается, поэтому пытаюсь объединить они все вместе в функциональный квантовый компьютер - это задача, которой я не особо завидую кто-нибудь... за исключением человека, который наконец добивается успеха.