Како раде квантни рачунари

Квантни рачунар је рачунарски дизајн који користи принципе квантна физика повећати рачунску снагу изнад онога што је могуће постићи традиционалним рачунаром. Квантни рачунари су направљени у малом обиму и рад их и даље надограђује на практичније моделе.

Рачунари функционишу тако што чувају податке у а бинарни број формат, што резултира низом ознака 1 и 0 задржаних у електронским компонентама као што су транзистора. Свака компонента рачунарске меморије се назива а мало и њима се може манипулисати кроз кораке логичке логике тако да се битови мењају на основу алгоритми које примењује рачунарски програм између режима 1 и 0 (који се понекад називају "укључено" и ") "ван").

С друге стране, квантни рачунар чувао би информације као 1, 0 или квантно суперпозиционирање два стања. Такав "квантни бит" омогућава далеко већу флексибилност од бинарног система.

Тачније, квантни рачунар могао би да врши прорачуне на далеко већем реду величине од традиционалних рачунара... концепт који озбиљно забрињава и примењује у сфери криптографије и енкрипције. Неки се плаше да ће успешан и практичан квантни рачунар девастирати светски финансијски систем ричући њихову рачунарску сигурност енкрипције које се заснивају на факторингу великог броја који традиционални рачунари буквално не могу пробити током животног века компаније универзум. Квантни рачунар, с друге стране, може да факторише бројеве у разумном временском периоду.

Да бисте разумели како ово убрзава ствари, размотрите овај пример. Ако је кубит суперпозиција 1 и 0 стања, извршио је израчун са другим кубитом у исти суперпозиција, тада се једним израчунавањем постижу 4 резултата: резултат 1/1, резултат 1/0, резултат 0/1 и 0/0 резултат. То је резултат математике примењене на квантни систем када је у стању декохеренције, која траје док је у суперпозицији стања, све док се не уруши у једно стање. Способност квантног рачунара да истовремено врши више рачунања (или паралелно, рачунарско) назива се квантним паралелизмом.

Тачан физички механизам на делу у квантном рачунару је помало теоретски сложен и интуитивно узнемирујући. Генерално, објашњено је у смислу мулти-светске интерпретације квантне физике, при чему рачунар врши прорачуне не само у нашем универзуму, већ и у друго свемира истовремено, док су разни кубити у стању квантне декохеренције. Иако ово звучи надиграно, показало се да мулти-светска интерпретација даје предвиђања која одговарају експерименталним резултатима.

Квантно рачунање има тенденцију да следи своје коријене све до говора из 1959. године Рицхард П. Фејнман у коме је говорио о ефектима минијатуризације, укључујући идеју да се искористе квантни ефекти за стварање моћнијих рачунара. Овај говор се такође генерално сматра почетном тачком нанотехнологија.

Наравно, пре него што су се остварили квантни ефекти рачунања, научници и инжињери морали су потпуније да развију технологију традиционалних рачунара. Због тога је дуги низ година било мало директног напретка, па чак ни интересовања за идеју да се Феинманове сугестије учине стварношћу.

Године 1985. идеју о "квантним логичким капијама" изнео је Давид Деутсцх са Универзитета у Оксфорду, као средство за искоришћавање квантне области у рачунару. Заправо, Деутсцх-ов рад на ту тему показао је да било који физички процес може да се моделира квантним рачунаром.

Скоро деценију касније, 1994. године, Петер Схор из АТ&Т-а је осмислио алгоритам који би могао да користи само 6 кубица да изврши неке основне факторизације... више лаката постају, наравно, сложенији бројеви за које је потребна факторизација.

Изграђено је неколико квантних рачунара. Прво, 2-кбитно квантно рачунало 1998. године, могло је да изврши тривијалне прорачуне пре губитка декохеренције након неколико наносекунди. У 2000. години, тимови су успешно изградили и 4-кбитни и 7-кбитни квантни рачунар. Истраживања на ову тему су и даље веома активна, мада неки физичари и инжењери изражавају забринутост због потешкоћа повезаних са повећањем ових експеримената на рачунске системе пуне размере. Ипак, успех ових почетних корака показује да је основна теорија добра.

Главни недостатак квантног рачунара је исти као и његова снага: квантна декохеренција. Израчунавање кита се врши док је квантна таласна функција у стању суперпозиције између стања, што му омогућава да извршава прорачуне користећи оба 1 и 0 стања истовремено.

Међутим, када се врши мерење било које врсте на квантном систему, декохеренција се распада и таласна функција се срушава у једно стање. Стога рачунар мора некако да настави са тим прорачунима без икаквих мерења до одговарајућег времена, када онда може да испадне из квантног стања, изврши мерење да би се очитао његов резултат, који ће се онда пренети на остатак систем.

Физичке потребе за манипулисањем системом у овој скали су велике, које се дотичу подручја суперпроводника, нанотехнологије и квантне електронике, као и других. Сваки од њих је сам по себи софистицирано поље које се још увек у потпуности развија, па се покушава спојити њих све заједно у функционални квантни рачунар је задатак којем не посебно завидим било ко... осим особе која коначно успе.