Sådan fungerer kvantecomputere

En kvantecomputer er et computerdesign, der bruger principperne i kvantefysik at øge beregningskraften ud over, hvad der kan opnås ved en traditionel computer. Kvantecomputere er bygget i mindre skala, og arbejdet fortsætter med at opgradere dem til mere praktiske modeller.

Computere fungerer ved at gemme data i a binært tal format, som resulterer i en række 1s & 0s, der er bevaret i elektroniske komponenter såsom transistorer. Hver komponent i computerhukommelsen kaldes a bit og kan manipuleres gennem trinnene i den boolske logik, så bitene ændres, baseret på algoritmer anvendt af computerprogrammet mellem 1 og 0 tilstande (undertiden benævnt "on" og "af").

En kvantecomputer ville på den anden side gemme information som enten en 1, 0 eller en kvantesuperposition af de to tilstande. En sådan "kvantebit" giver mulighed for langt større fleksibilitet end det binære system.

Specifikt ville en kvantecomputer være i stand til at udføre beregninger i en langt større størrelsesorden end traditionelle computere... et koncept, der har alvorlige bekymringer og anvendelser inden for kryptografi og kryptering. Nogle frygter, at en vellykket og praktisk kvantecomputer vil ødelægge verdens finansielle system ved at rippe gennem deres computersikkerhed krypteringer, der er baseret på fabrikation af store antal, der bogstaveligt talt ikke kan knækkes af traditionelle computere inden for levetiden til univers. En kvantecomputer kunne på den anden side faktorere tallene i en rimelig periode.

For at forstå, hvordan dette fremskynder tingene, skal du overveje dette eksempel. Hvis kvbiten er i en superposition af tilstanden 1 og 0, og den udførte en beregning med en anden kvbit i samme superposition, så opnår 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 af matematikken anvendt på et kvantesystem i en tilstand af decoherence, som varer, mens det er i en superposition af tilstande, indtil det kollapser ned i en tilstand. En kvantecomputers evne til at udføre flere beregninger samtidigt (eller parallelt, i computermæssige termer) kaldes kvanteparallalisme.

Den nøjagtige fysiske mekanisme, der arbejder inden for kvantecomputeren, er noget teoretisk kompleks og intuitivt forstyrrende. Generelt forklares det med hensyn til flerværdigtolkning af kvantefysik, hvor computeren udfører beregninger ikke kun i vores univers, men også i Andet universer samtidig, mens de forskellige qubits er i en tilstand af kvante-decoherence. Selvom dette lyder langt ude, har multi-world-tolkningen vist sig at give forudsigelser, der matcher eksperimentelle resultater.

Kvanteberegning har en tendens til at spore sine rødder tilbage til en tale fra 1959 Richard P. Feynman hvor han talte om virkningerne af miniaturisering, herunder ideen om at udnytte kvanteeffekter til at skabe mere magtfulde computere. Denne tale betragtes også generelt som udgangspunktet for nanoteknologi.

Før de kvanteeffekter af computing kunne realiseres, måtte naturligvis forskere og ingeniører udvikle teknologien til traditionelle computere mere fuldstændigt. Dette var grunden til, at der i mange år var lidt direkte fremskridt og heller ikke interesse for tanken om at gøre Feynmans forslag til virkelighed.

I 1985 blev ideen om "kvante-logiske porte" fremsat af University of Oxford's David Deutsch som et middel til at udnytte kvanteområdet inden for en computer. Faktisk viste Tysklands papir om emnet, at enhver fysisk proces kunne modelleres af en kvantecomputer.

Næsten et årti senere, i 1994, udtænkte AT & T's Peter Shor en algoritme, der kun kunne bruge 6 qubits til at udføre nogle grundlæggende faktoriseringer... flere alen, jo mere komplekse blev de tal, der kræver faktorisering, naturligvis.

Der er bygget en håndfuld kvantecomputere. Den første, en 2-qubit kvantecomputer i 1998, kunne udføre trivielle beregninger, før de mister decoherence efter et par nanosekunder. I 2000 byggede hold med succes både en 4-qubit og en 7-qubit kvantecomputer. Forskning om emnet er stadig meget aktivt, selvom nogle fysikere og ingeniører udtrykker bekymring over vanskelighederne med at opskalere disse eksperimenter til computere i fuld skala. Stadig viser succes med disse indledende trin, at den grundlæggende teori er sund.

Kvantecomputerens største ulempe er den samme som dens styrke: kvantedekoherens. Kvbitberegningerne udføres, mens kvantebølgefunktionen er i superposition mellem stater, hvilket er det, der giver det mulighed for at udføre beregningerne ved hjælp af både 1 & 0-tilstande samtidigt.

Når der imidlertid foretages en måling af en hvilken som helst type på et kvantesystem, brydes decoherence ned, og bølgefunktionen kollapses i en enkelt tilstand. Derfor skal computeren på en eller anden måde fortsætte med at foretage disse beregninger uden at have foretaget målinger indtil det rette tidspunkt, hvornår den kan derefter droppe ud af kvantetilstanden, få en måling for at læse dens resultat, som derefter overføres til resten af system.

De fysiske krav til at manipulere et system på denne skala er betydelige og berører superledere, nanoteknologi og kvanteelektronik såvel som andre. Hver af disse er i sig selv et sofistikeret felt, der stadig udvikles fuldt ud, så man prøver at fusionere dem alle sammen til en funktionel kvantecomputer er en opgave, som jeg ikke misunder særlig nogen som helst... undtagen for den person, der endelig lykkes.