Calculatoare cuantice și fizică cuantică

Un computer cuantic este un design al computerului care utilizează principiile fizicii cuantice pentru a crește puterea de calcul dincolo de ceea ce este obținut de un computer tradițional. Calculatoarele cuantice au fost construite la scară mică și lucrările continuă să le modernizeze la modele mai practice.

Cum funcționează calculatoarele

Calculatoarele funcționează prin stocarea datelor într-un format de numere binare, ceea ce duce la o serie de 1s & 0s păstrate în componente electronice, cum ar fi tranzistoarele. Fiecare componentă a memoriei computerului se numește a pic și poate fi manipulat prin etapele logicii booleane, astfel încât biții să se schimbe, pe baza algoritmilor aplicați de programul computerului, între modurile 1 și 0 (uneori denumite „on” și „off”).

Cum ar funcționa un computer cuantic

Pe de altă parte, un computer cuantic ar stoca informații fie ca 1, 0, fie ca o superpoziție cuantică a celor două stări. Un astfel de „bit cuantic” permite o flexibilitate mult mai mare decât sistemul binar.

Mai exact, un computer cuantic ar fi capabil să efectueze calcule pe o ordine de mărime mult mai mare decât computerele tradiționale ... concept care are preocupări serioase și aplicații pe tărâmul criptografiei și criptării. Unii se tem că un computer cuantic de succes și practic ar distruge sistemul financiar al lumii prin spargerea criptelor de securitate a computerului lor, care se bazează pe factorizarea unui număr mare care, literalmente, nu poate fi fisurat de computerele tradiționale din durata de viață a universului. Pe de altă parte, un computer cuantic ar putea factoriza numerele într-o perioadă rezonabilă de timp.

Pentru a înțelege modul în care acest lucru accelerează, luați în considerare acest exemplu. Dacă qubit-ul se află într-o superpoziție a stării 1 și a 0, și a efectuat un calcul cu un alt qubit în aceeași superpoziție, atunci un calcul obține de fapt 4 rezultate: un rezultat 1/1, un rezultat 1/0, Rezultat 0/1 și rezultat 0/0. Acesta este un rezultat al matematicii aplicate unui sistem cuantic atunci când se află într-o stare de decernare, care durează în timp ce se află într-o superpoziție de stări până se prăbușește într-o singură stare. Capacitatea unui calculator cuantic de a efectua mai multe calcule simultan (sau în paralel, în termeni de calculator) se numește paralelism cuantic.

Mecanismul fizic exact la locul de muncă din computerul cuantic este oarecum complex teoretic și intuitiv deranjant. În general, ea este explicată în termeni de interpretare multi-lume a fizicii cuantice, în care computerul efectuează calcule nu numai în universul nostru, ci și în alte universuri simultan, în timp ce diferitele qubits se află într-o stare de decoență cuantică. În timp ce acest lucru sună îndepărtat, s-a demonstrat că interpretarea multi-lume face predicții care se potrivesc cu rezultatele experimentale.

Istoricul calculului cuantic

Calculul cuantic tinde să-și depășească rădăcinile într-un discurs din 1959 de Richard P. Feynman în care a vorbit despre efectele miniaturizării, inclusiv ideea de a exploata efectele cuantice pentru a crea computere mai puternice. Acest discurs este de asemenea considerat în general punctul de plecare al nanotehnologiei.

Desigur, înainte ca efectele cuantice ale calculării să poată fi realizate, oamenii de știință și inginerii au trebuit să dezvolte mai pe deplin tehnologia calculatoarelor tradiționale. Acesta este motivul pentru care, timp de mulți ani, s-au înregistrat puține progrese directe, nici măcar interes, în ideea de a face sugestiile lui Feynman în realitate.

În 1985, ideea „porților logice cuantice” a fost lansată de David Deutsch de la Universitatea din Oxford, ca mijloc de a valorifica tărâmul cuantic în interiorul unui computer. De fapt, lucrarea lui Deutsch asupra acestui subiect a arătat că orice proces fizic poate fi modelat de un computer cuantic.

Aproape un deceniu mai târziu, în 1994, Peter Shor de la AT&T a conceput un algoritm care ar putea folosi doar 6 cvite pentru a efectua unele factorizări de bază ... mai mulți cubi, cu atât numerele care necesită factorizare au devenit, desigur..

Au fost construite o mână de calculatoare cuantice. Primul, un computer cuantic de 2 qubit în 1998, ar putea efectua calcule banale înainte de a pierde decenența după câteva nanosecunde. În 2000, echipele au construit cu succes atât un computer cuantic de 4 qubit, cât și un 7-qubit. Cercetările pe această temă sunt încă foarte active, deși unii fizicieni și ingineri își exprimă îngrijorarea cu privire la dificultățile pe care le implică extinderea acestor experimente către sistemele de calcul pe scară largă. Cu toate acestea, succesul acestor etape inițiale arată că teoria fundamentală este solidă.

Dificultăți cu calculatoarele cuantice

Principalul dezavantaj al computerului cuantic este același cu puterea sa: decoherența cuantică. Calculele de qubit sunt efectuate în timp ce funcția de undă cuantică se află într-o stare de suprapunere între stări, ceea ce îi permite să efectueze calculele folosind ambele stări 1 și 0 simultan.

Cu toate acestea, atunci când se face o măsurare de orice tip într-un sistem cuantic, decherența se descompune și funcția de undă se prăbușește într-o singură stare. Prin urmare, calculatorul trebuie să continue cumva să facă aceste calcule fără a face măsurători până la momentul potrivit, când poate apoi să renunțe la starea cuantică, să facă o măsurare pentru a citi rezultatul său, care apoi este transmis la restul de sistemul.

Cerințele fizice ale manipulării unui sistem la această scară sunt considerabile, atingând domeniile superconductorilor, nanotehnologiei și electronicii cuantice, precum și altele. Fiecare dintre ele este în sine un domeniu sofisticat, care este încă dezvoltat pe deplin, așa că încercarea de a le îmbina pe toate într-un computer cuantic funcțional este o sarcină pe care nu o invidiez în mod deosebit pe nimeni ... cu excepția persoanei care reușește în sfârșit.