Kvantdatorer och kvantfysik

En kvantdator är en datordesign som använder kvantfysikens principer för att öka beräkningsstyrkan utöver vad som kan uppnås med en traditionell dator. Kvantdatorer har byggts i liten skala och arbetet fortsätter att uppgradera dem till mer praktiska modeller.

Hur datorer fungerar

Datorer fungerar genom att lagra data i ett binärt talformat, vilket resulterar i en serie av 1s & 0s som finns kvar i elektroniska komponenter såsom transistorer. Varje komponent i datorminnet kallas a bit och kan manipuleras genom stegen i den booleska logiken så att bitarna ändras, baserat på algoritmerna som tillämpas av datorprogrammet, mellan lägena 1 och 0 (ibland benämnd "på" och "av").

Hur en kvantdator fungerar

En kvantdator å andra sidan skulle lagra information som antingen en 1, 0 eller en kvant-superposition av de två tillstånden. En sådan "kvantbit" möjliggör mycket större flexibilitet än det binära systemet.

Specifikt skulle en kvantdator kunna utföra beräkningar i en mycket större storleksordning än traditionella datorer ... ett koncept som har allvarliga problem och tillämpningar på området kryptografi och kryptering. Vissa är rädda för att en framgångsrik & praktisk kvantdator skulle förstöra världens finansiella system genom att rippa igenom sina datorsäkerhetskrypteringar, som är baserade på faktorer av stora antal som bokstavligen inte kan knäckas av traditionella datorer inom universumets livstid. En kvantdator, å andra sidan, kan fakturera siffrorna inom en rimlig tidsperiod.

För att förstå hur detta påskyndar saker, tänk på detta exempel. Om kvbitten är i en superposition av 1-tillståndet och 0-tillståndet, och den utförde en beräkning med en annan qubit i samma superposition, så får en beräkning faktiskt 4 resultat: ett 1/1 resultat, ett 1/0 resultat, ett 0/1 resultat och ett 0/0 resultat. Detta är ett resultat av matematiken som tillämpas på ett kvantsystem i ett tillstånd av decoherence, som varar medan det befinner sig i en superposition av tillstånd tills det kollapsar ner i ett tillstånd. En kvantdatorers förmåga att utföra flera beräkningar samtidigt (eller parallellt, i datortermer) kallas kvantparallellism.

Den exakta fysiska mekanismen som arbetar inom kvantdatorn är något teoretiskt komplex och intuitivt störande. Generellt förklaras det i termer av flervärldstolkningen av kvantfysik, där datorn utför beräkningar inte bara i vårt universum utan också i Övrig universum samtidigt, medan de olika qubitsna är i ett tillstånd av kvantdekoherens. Även om detta låter långtgående har det visats att flervärldstolkningen gör förutsägelser som matchar experimentella resultat.

Kvantberäkningshistoria

Kvantberäkning tenderar att spåra sina rötter tillbaka till ett tal från Richard P. Feynman från 1959 där han talade om effekterna av miniatyrisering, inklusive tanken att utnyttja kvanteffekter för att skapa mer kraftfulla datorer. Detta tal anses också allmänt som utgångspunkten för nanoteknologi.

Naturligtvis, innan kvanteffekterna av datoranvändning kunde realiseras, var forskare och ingenjörer tvungna att mer utveckla tekniken för traditionella datorer. Därför var det under många år lite direkt framsteg, eller ens intresse, för idén att göra Feynmans förslag till verklighet.

1985 presenterades idén om "kvantlogiska grindar" av University of Oxford's David Deutsch som ett sätt att utnyttja kvantområdet i en dator. I själva verket visade Tysklands papper om ämnet att alla fysiska processer kunde modelleras av en kvantdator.

Nästan ett decennium senare, 1994, utarbetade AT & T: s Peter Shor en algoritm som bara kunde använda 6 qubits för att utföra några grundläggande faktoriseringar ... fler alen desto mer komplexa antalet som krävde faktorisering blev naturligtvis.

En handfull kvantdatorer har byggts. Den första, en 2-bitars kvantdator 1998, kunde utföra triviala beräkningar innan de tappade decoherence efter några nanosekunder. År 2000 byggde team framgångsrikt både en 4-kvbit och en 7-bitars kvantdator. Forskningen i ämnet är fortfarande mycket aktiv, även om vissa fysiker och ingenjörer uttrycker oro över svårigheterna med att uppskala dessa experiment till fullskaliga datorsystem. Fortfarande visar framgången med dessa initiala steg att den grundläggande teorin är sund.

Svårigheter med kvantdatorer

Kvantdatorns huvudsakliga nackdel är densamma som dess styrka: kvantdekoherens. Qubit-beräkningarna utförs medan kvantvågfunktionen är i ett tillstånd av superposition mellan tillstånd, vilket är det som gör det möjligt att utföra beräkningarna med både 1 och 0-tillstånd samtidigt.

Men när en mätning av vilken typ som helst görs på ett kvantsystem bryter decoherence ned och vågfunktionen kollapsar till ett enda tillstånd. Därför måste datorn på något sätt fortsätta göra dessa beräkningar utan att göra några mätningar förrän rätt tid, då den sedan kan släppa ur kvanttillståndet, få en mätning för att läsa dess resultat, som sedan skickas vidare till resten av systemet.

De fysiska kraven för att manipulera ett system på denna skala är betydande och berör riket för superledare, nanoteknologi och kvanteelektronik såväl som andra. Var och en av dessa är i sig ett sofistikerat fält som fortfarande håller på att utvecklas, så att försöka slå samman dem alla till en funktionell kvantdator är en uppgift som jag inte särskilt avundar någon ... förutom den som äntligen lyckas.