Cum funcționează calculatoarele cuantice

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

Calculatoarele funcționează prin stocarea datelor într-un număr binar format, care rezultă într-o serie de 1s & 0s păstrate în componente electronice, cum ar fi tranzistori. Fiecare componentă a memoriei computerului se numește a pic și poate fi manipulat prin pașii logicii booleene, astfel încât biții să se schimbe, bazat pe algoritmi aplicați de programul computerului, între modurile 1 și 0 (denumite uneori „on” și "Off").

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... un 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 mondial prin ruperea securității computerului criptare, care se bazează pe factorizarea unui număr mare care, literalmente, nu poate fi fisurat de calculatoarele tradiționale pe durata de viață a univers. Pe de altă parte, un computer cuantic ar putea factoriza numerele într-o perioadă rezonabilă de timp.

Pentru a înțelege cum se accelerează lucrurile, luați în considerare acest exemplu. Dacă qubit-ul este într-o superpoziție a stării 1 și a stării 0, și a efectuat un calcul cu un alt qubit în aceeași superpoziție, apoi un calcul obține de fapt 4 rezultate: un rezultat 1/1, un rezultat 1/0, un rezultat 0/1 și 0/0 rezultat. Acesta este un rezultat al matematicii aplicate unui sistem cuantic atunci când este într-o stare de decelerație, 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.

Calculul cuantic are tendința de a-și urmări rădăcinile într-un discurs din 1959 Richard P. Feynman în care a vorbit despre efectele miniaturizării, inclusiv ideea exploatării efectelor cuantice pentru a crea computere mai puternice. Acest discurs este de asemenea considerat în general punctul de plecare al nanotehnologie.

Desigur, înainte ca efectele cuantice ale calculării să poată fi realizate, oamenii de știință și inginerii au fost nevoiți să dezvolte mai pe deplin tehnologia computerelor 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 despre acest subiect arăta 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 cvb pentru a efectua unele factorizări de bază... mai mulți coți, cu atât mai complexe au devenit numerele care necesită factorizare.

Au fost construite o mână de calculatoare cuantice. Primul, un computer cuantic cu 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.

Principalul dezavantaj al calculatorului cuantic este același cu puterea sa: decoherența cuantică. Calculele de qubit sunt efectuate în timp ce funcția de undă cuantică este într-o stare de suprapunere între stări, ceea ce îi permite să efectueze calculele folosind ambele stări 1 & 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, computerul trebuie să continue cumva să facă aceste calcule, fără să facă măsurători până la momentul potrivit, când apoi poate să renunțe la starea cuantică, să facă o măsurare pentru a citi rezultatul său, care apoi este transmis pe restul sistem.

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 în curs de dezvoltare complet, astfel încât încearcă să se îmbine pe toate împreună într-un computer cuantic funcțional este o sarcină pe care nu o invidiez în mod special oricine... cu excepția celui care reușește în cele din urmă.