Kuidas kvantarvutid töötavad

Kvantarvuti on arvutidisain, mis kasutab järgmisi põhimõtteid: kvantfüüsika suurendada arvutusvõimsust kaugemale sellest, mis on tavapärase arvutiga saavutatav. Kvantarvutid on üles ehitatud väikesemahuliselt ja tööd jätkatakse nende ajakohastamiseks praktilisemate mudeliteni.

Arvutid töötavad andmete salvestamisega a binaarne number vormingus, mille tulemuseks on 1s ja 0 seeria säilimine elektroonilistes osades nagu transistorid. Arvutimälu iga komponenti nimetatakse a natuke ja seda saab Boole'i ​​loogika etappide kaudu manipuleerida nii, et bitid muutuvad, tuginedes algoritmid, mida arvutiprogramm rakendab režiimide 1 ja 0 vahel (mõnikord nimetatakse "sisse" ja "0") "väljas").

Teisalt salvestaks kvantarvuti teavet kas kahe oleku 1, 0 või kvant-superpositsioonina. Selline "kvantbit" võimaldab palju suuremat paindlikkust kui binaarsüsteem.

Täpsemalt, kvantarvuti oleks võimeline arvutusi tegema palju suuremas suurusjärgus kui traditsioonilised arvutid... kontseptsioon, millel on krüptograafia ja krüptimise valdkonnas tõsiseid probleeme ja rakendusi. Mõni kardab, et edukas ja praktiline kvantarvuti hävitab maailma arvutisüsteemi, rikkudes nende arvutiturbe krüptimised, mis põhinevad suurte arvude faktoorimisel, mida traditsioonilised arvutid sõna otseses mõttes ei saa lahti kogu kasutusaja jooksul universum. Seevastu kvantarvuti suudaks numbrid mõistliku aja jooksul faktoreerida.

Vaadake seda näidet, et mõista, kuidas see asja kiirendab. Kui kvabit on oleku 1 ja 0 superpositsioonis ja ta tegi arvutuse teise qubitiga sama superpositsioon, siis saab üks arvutus tegelikult 4 tulemust: tulemus 1/1, tulemus 1/0, tulemus 0/1 ja 0/0 tulemus. See on matemaatika tulemus, mida kvantsüsteemile rakendatakse dekoorentsuse olekus, mis kestab olekute superpositsioonis olekuni, kuni see kukub ühte olekusse. Kvantarvuti võimet sooritada mitu arvutamist samaaegselt (või paralleelselt, arvuti mõttes) nimetatakse kvantparallelismiks.

Kvantarvuti töö täpne füüsiline mehhanism on mõnevõrra teoreetiliselt keeruline ja intuitiivselt häiriv. Üldiselt selgitatakse seda kvantfüüsika mitmeilmses tõlgenduses, kus arvuti ei tee arvutusi mitte ainult meie universumis, vaid ka muud universumid üheaegselt, samal ajal kui erinevad kvbitid on kvantdekoherentsi olekus. Kuigi see kõlab kaugelt, on näidatud, et mitme maailma tõlgendus võimaldab ennustada eksperimentaalseid tulemusi.

Kvantarvutus kipub leidma oma juuri tagasi 1959. aasta kõnes Richard P. Feynman milles ta rääkis miniaturiseerimise mõjudest, sealhulgas ideest kasutada kvantefekte võimsamate arvutite loomiseks. Seda kõnet peetakse ka üldiselt lähtekohaks nanotehnoloogia.

Muidugi, enne kui andmetöötluse kvantmõjusid oli võimalik realiseerida, pidid teadlased ja insenerid traditsiooniliste arvutite tehnoloogiat põhjalikumalt välja töötama. Sellepärast ei olnud Feynmani ettepanekute tegelikkuses elluviimisel palju aastaid otsest edu ega isegi mitte huvi olnud.

Aastal 1985 esitas Oxfordi ülikooli David Deutsch idee kvantloogikaväravate kohta, mis võimaldavad arvutil kvantvaldkonda rakendada. Tegelikult näitas Deutschi selleteemaline paber, et kvantarvuti abil saab modelleerida mis tahes füüsilisi protsesse.

Ligi kümmekond aastat hiljem, 1994. aastal, töötas AT & T Peter Shor välja algoritmi, mis võiks kasutada vaid 6 juppi mõne põhitegurimise tegemiseks... mida rohkem küünareid, seda keerukamaks muutusid muidugi faktoriseerimist nõudvad numbrid.

Ehitatud on käputäis kvantarvuteid. Esimene, 2-bitine kvantarvuti 1998. aastal, võis teostada triviaalseid arvutusi, enne kui mõne nanosekundi jooksul kaotus langes. Aastal 2000 ehitasid meeskonnad edukalt nii 4-kui ka 7-bitise kvantarvuti. Selleteemalised uuringud on endiselt väga aktiivsed, ehkki mõned füüsikud ja insenerid väljendavad muret raskuste pärast, mis on seotud nende katsete ülendamisega täismõõtmetes arvutisüsteemidele. Sellegipoolest näitab nende esimeste sammude edu, et põhiteooria on kindel.

Kvantarvuti peamine puudus on sama kui selle tugevusel: kvantdekoherentsus. Kvbit-arvutused tehakse siis, kui kvantlaine funktsioon on superpositsioonis olekute vahel, mis võimaldab tal arvutusi teha nii 1 kui 0 olekut kasutades samaaegselt.

Kui aga kvantsüsteemi mõõdetakse suvalist tüüpi, laguneb koheherentsus ja lainefunktsioon varieerub ühes olekus. Seetõttu peab arvuti kuidagi neid arvutusi jätkama, ilma et oleks tehtud mõõtmisi kuni õige ajani, millal siis võib see kvant olekust välja kukkuda, selle tulemuse lugemiseks võib teha mõõtmise, mis seejärel kantakse üle ülejäänud süsteem.

Selle skaalaga süsteemi manipuleerimise füüsilised nõudmised on märkimisväärsed, puudutades nii ülijuhtide, nanotehnoloogia ja kvant-elektroonika valdkondi kui ka teisi. Kõik need on iseenesest keeruline valdkond, mida alles arendatakse täielikult, nii et üritatakse sulanduda need kõik koos funktsionaalseks kvantarvutiks on ülesanne, mida ma eriti ei kadesta keegi... välja arvatud inimene, kellel see lõpuks õnnestub.