Как работят квантовите компютри

Квантовият компютър е компютърен дизайн, който използва принципите на квантова физика да се увеличи изчислителната мощност отвъд онова, което се постига с традиционен компютър. Квантовите компютри са изградени в малък мащаб и работата продължава да ги надгражда до по-практични модели.

Компютрите функционират чрез съхраняване на данни в a двоично число формат, което води до поредица от 1 и 0, запазени в електронни компоненти като транзистори. Всеки компонент на компютърната памет се нарича a малко и може да се манипулира чрез стъпките на булева логика, така че битовете да се променят, въз основа на алгоритми, прилагани от компютърната програма, между режимите 1 и 0 (понякога наричани "включен" и "Изключено").

От друга страна, квантовият компютър би съхранявал информация като 1, 0 или квантова суперпозиция на двете състояния. Такъв „квантов бит“ позволява далеч по-голяма гъвкавост от бинарната система.

По-конкретно, квантовият компютър би могъл да извършва изчисления на много по-голям порядък от традиционните компютри... концепция, която има сериозни проблеми и приложения в областта на криптографията и криптирането. Някои се опасяват, че успешният и практичен квантов компютър ще опустоши финансовата система в света, като се раздели с тяхната компютърна сигурност кодирания, които се основават на факторинг на големи числа, които буквално не могат да бъдат пробити от традиционните компютри в рамките на живота на вселена. От друга страна, квантовият компютър може да раздели числата в разумен период от време.

За да разберете как това ускорява нещата, помислете за този пример. Ако кубитът е в суперпозиция на състоянието 1 и 0 и извърши изчисление с друг кубит в същата суперпозиция, тогава едно изчисление всъщност получава 4 резултата: резултат 1/1, резултат 1/0, резултат 0/1 и 0/0 доведе. Това е резултат от математиката, прилагана към квантова система, когато е в състояние на дехехерентност, което продължава докато е в суперпозиция на състояния, докато не се срине надолу в едно състояние. Способността на квантовия компютър да извършва множество изчисления едновременно (или паралелно, в компютърно отношение) се нарича квантов паралелизъм.

Точният физически механизъм на работа в рамките на квантовия компютър е донякъде теоретично сложен и интуитивно смущаващ. Като цяло се обяснява по отношение на многосветската интерпретация на квантовата физика, при която компютърът извършва изчисления не само в нашата Вселена, но и в друг вселени едновременно, докато различните кубити са в състояние на квантова декохерентност. Въпреки че това звучи нагледно, е показано, че многостранната интерпретация прави прогнози, които съответстват на експерименталните резултати.

Квантовите изчисления са склонни да проследят корените си назад в речта от 1959 г. от Ричард П. Файнман в който той говори за ефектите на миниатюризацията, включително идеята за използване на квантови ефекти за създаване на по-мощни компютри. Тази реч обикновено се счита за отправна точка нанотехнологиите.

Разбира се, преди да се реализират квантовите ефекти на изчислителната техника, учените и инженерите трябваше да развият по-пълно технологията на традиционните компютри. Ето защо в продължение на много години нямаше пряк напредък, нито дори интерес към идеята да се направят предложенията на Фейнман в реалност.

През 1985 г., Дейвид Дойч от Оксфордския университет на Оксфорд, идеята за „квантови логически порти“ е изложена като средство за използване на квантовата сфера в компютъра. Всъщност книгата на Deutsch по темата показа, че всеки физически процес може да бъде моделиран от квантов компютър.

Близо десетилетие по-късно, през 1994 г., Peter Shor от AT&T създаде алгоритъм, който може да използва само 6 кубита за извършване на някои основни факторизации... повече лакът, толкова по-сложни станаха числата, изискващи факторизация.

Създадени са шепа квантови компютри. Първият, 2-кубитен квантов компютър през 1998 г., може да извърши тривиални изчисления, преди да загуби декохерентност след няколко наносекунди. През 2000 г. екипите успешно изграждат както 4-кубитен, така и 7-кбитов квантов компютър. Изследванията по темата все още са много активни, въпреки че някои физици и инженери изразяват загриженост относно трудностите, свързани с разширяването на тези експерименти до пълномащабни изчислителни системи. Все пак успехът на тези първоначални стъпки показва, че фундаменталната теория е стабилна.

Основният недостатък на квантовия компютър е същият като неговата сила: квантова декохерентност. Кубитните изчисления се извършват, докато квантовата вълнова функция е в състояние на суперпозиция между състояния, което е, което му позволява да извършва изчисленията, като използва и двете състояния 1 и 0 едновременно.

Когато обаче се извършва измерване от всякакъв тип на квантова система, декохеренцията се разпада и вълновата функция се срива в едно състояние. Следователно компютърът трябва по някакъв начин да продължи да прави тези изчисления, без да прави никакви измервания до подходящото време, кога след това може да изпадне от квантовото състояние, да направи измерване, за да се прочете нейният резултат, който след това се предава на останалата част от система.

Физическите изисквания за манипулиране на система в този мащаб са значителни, засягащи сферите на свръхпроводниците, нанотехнологиите и квантовата електроника, както и други. Всяко от тях само по себе си е сложно поле, което все още се развива напълно, така че се опитва да се слее всички заедно във функционален квантов компютър е задача, на която не завиждам особено някой... с изключение на човека, който най-накрая успява.