Hvordan kvantedatamaskiner fungerer

En kvantecomputer er en datamaskindesign som bruker prinsippene for kvantefysikk å øke regnekraften utover det som er oppnåelig med en tradisjonell datamaskin. Kvantedatamaskiner er bygget i liten skala og arbeidet fortsetter med å oppgradere dem til mer praktiske modeller.

Datamaskiner fungerer ved å lagre data i a binært nummer format, som resulterer i en serie 1s & 0s beholdt i elektroniske komponenter som transistorer. Hver komponent i dataminnet kalles a bit og kan manipuleres gjennom trinnene i boolsk logikk slik at bitene endres, basert på algoritmer brukt av dataprogrammet, mellom 1 og 0 modus (noen ganger referert til som "på" og "av").

En kvantecomputer ville derimot lagre informasjon som enten 1, 0 eller en kvantesuperposisjon av de to tilstandene. En slik "kvantebit" gir mulighet for langt større fleksibilitet enn det binære systemet.

Spesifikt vil en kvantecomputer kunne utføre beregninger i en langt større størrelsesorden enn tradisjonelle datamaskiner... et konsept som har alvorlige bekymringer og applikasjoner på området kryptografi og kryptering. Noen frykter at en vellykket og praktisk kvantecomputer vil ødelegge verdens økonomiske system ved å rive gjennom datasikkerheten krypteringer, som er basert på faktorer av store antall som bokstavelig talt ikke kan bli sprukket av tradisjonelle datamaskiner i levetiden til univers. En kvantecomputer kunne derimot faktorere tallene i en rimelig periode.

For å forstå hvordan dette fremskynder ting, bør du vurdere dette eksemplet. Hvis kvbiten er i en superposisjon av tilstanden 1 og 0, og den utførte en beregning med en annen kvbit i samme superposisjon, da oppnår en beregning faktisk 4 resultater: et 1/1 resultat, et 1/0 resultat, et 0/1 resultat og et 0/0 resultat. Dette er et resultat av matematikken som brukes på et kvantesystem i en tilstand av koherens, som varer mens den er i en superposisjon av tilstander til den kollapser ned i en tilstand. Evnen til en kvantemaskin til å utføre flere beregninger samtidig (eller parallelt, i datamaskintermer) kalles kvanteparallellisme.

Den nøyaktige fysiske mekanismen som er i arbeid i kvantedatamaskinen er noe teoretisk sammensatt og intuitivt forstyrrende. Generelt blir det forklart i form av tolkningen av kvantefysikken i flere verdener, der datamaskinen utfører beregninger ikke bare i vårt univers, men også i annen universene samtidig, mens de forskjellige qubits er i en tilstand av kvantedekoherens. Selv om dette høres usannsynlig ut, har tolkningen av flere verdener vist seg å gi forutsigelser som samsvarer med eksperimentelle resultater.

Kvanteberegning har en tendens til å spore sine røtter tilbake til en tale fra 1959 Richard P. Feynman der han snakket om effektene av miniatyrisering, inkludert ideen om å utnytte kvanteeffekter for å lage kraftigere datamaskiner. Denne talen anses også generelt som utgangspunktet for nanoteknologi.

Før kvanteeffektene av databehandling kunne realiseres, måtte naturligvis forskere og ingeniører utvikle teknologien til tradisjonelle datamaskiner mer. Dette var grunnen til at det i mange år var liten direkte fremgang, og heller ikke interesse, for ideen om å gjøre Feynmans forslag til virkelighet.

I 1985 ble ideen om "kvante-logiske porter" fremsatt av University of Oxford's David Deutsch, som et middel til å utnytte kvanteområdet i en datamaskin. Faktisk viste Tysklands papir om emnet at enhver fysisk prosess kunne modelleres av en kvantecomputer.

Nesten ti år senere, i 1994, utarbeidet AT & T's Peter Shor en algoritme som bare kunne bruke 6 qubits for å utføre noen grunnleggende faktoriseringer... mer alen desto mer komplekse ble antallet som krever faktorisering, selvfølgelig.

Det er bygget en håndfull kvantedatamaskiner. Den første, en 2-kvbit kvantecomputer i 1998, kunne utføre trivielle beregninger før de mistet decoherence etter noen nanosekunder. I 2000 bygde team med suksess både en 4-kvbit og en 7-kvbit datamaskin. Forskning om emnet er fremdeles veldig aktivt, selv om noen fysikere og ingeniører uttrykker bekymring for vanskene med å oppskalere disse eksperimentene til databehandlingssystemer i full skala. Fortsatt viser suksessen til disse innledende trinnene at den grunnleggende teorien er sunn.

Kvantedatamaskinens viktigste ulempe er den samme som styrken: kvantedekoherens. Kvbitberegningene utføres mens kvantebølgefunksjonen er i superposisjonstilstand mellom stater, som er det som gjør det mulig å utføre beregningene ved bruk av både 1 og 0-tilstander samtidig.

Imidlertid, når en måling av en hvilken som helst type gjøres på et kvantesystem, brytes decoherence og bølgefunksjonen kollapser i en enkelt tilstand. Derfor må datamaskinen på en eller annen måte fortsette å gjøre disse beregningene uten å ha foretatt målinger til riktig tidspunkt, når den kan da slippe ut av kvantetilstanden, få en måling for å lese resultatet, som deretter blir sendt videre til resten av system.

De fysiske kravene til å manipulere et system i denne skalaen er betydelige, og berører riket til superledere, nanoteknologi og kvanteelektronikk, så vel som andre. Hver av disse er i seg selv et sofistikert felt som fremdeles er i full utvikling, så prøver å slå seg sammen dem alle sammen til en funksjonell kvantecomputer er en oppgave som jeg ikke misunner spesielt hvem som helst... bortsett fra den personen som endelig lykkes.