Kvantu dators ir datora dizains, kurā izmantoti: kvantu fizika palielināt skaitļošanas jaudu ārpus tā, ko sasniedz tradicionālais dators. Kvantu datori ir būvēti nelielā apjomā, un tiek turpināts darbs, lai tos pilnveidotu praktiskākiem modeļiem.
Kā darbojas datori
Datori darbojas, datus glabājot binārais skaitlis formātā, kā rezultātā 1s un 0 sērija tiek saglabāta elektroniskajos komponentos, piemēram, tranzistori. Katru datora atmiņas komponentu sauc par a mazliet un ar to var manipulēt, izmantojot Būla loģikas soļus, lai biti mainītos, pamatojoties uz algoritmi, ko datorprogramma izmanto starp 1 un 0 režīmiem (dažreiz sauktus par "ieslēgtu" un "" " "izslēgts").
Kā kvantu dators darbotos
No otras puses, kvantu dators informāciju glabātu kā abu stāvokļu 1, 0 vai kvantu superpozīciju. Šāds "kvantu bits" pieļauj daudz lielāku elastību nekā binārā sistēma.
Proti, kvantu dators varētu veikt aprēķinus daudz lielākā mērā nekā tradicionālie datori... koncepcija, kurai ir nopietnas bažas un pielietojums kriptogrāfijas un šifrēšanas jomā. Daži baidās, ka veiksmīgs un praktisks kvantu dators izpostīs pasaules finanšu sistēmu, izjaucot viņu datoru drošību šifrējumus, kuru pamatā ir liela skaita faktorings, kurus tradicionāli datori burtiski nevar uzlauzt, Visums. No otras puses, kvantu dators varētu faktorus numurēt saprātīgā laika posmā.
Apsveriet šo piemēru, lai saprastu, kā tas paātrina situāciju. Ja kvadrāts atrodas 1 stāvokļa un 0 superpozīcijā, un tas veica aprēķinu, izmantojot citu kvadrātu tas pats superpozīcija, tad viens aprēķins faktiski iegūst 4 rezultātus: rezultāts 1/1, rezultāts 1/0, rezultāts 0/1 un 0/0 rezultāts. Tas ir matemātikas rezultāts, kas tiek piemērots kvantu sistēmai, kad tā ir dekoherences stāvoklī, kas ilgst, kamēr tā atrodas stāvokļu superpozīcijā, līdz tā sabrūk vienā stāvoklī. Kvantu datora spēju veikt vairākus aprēķinus vienlaicīgi (vai paralēli, datoru izteiksmē) sauc par kvantu paralēlismu.
Precīzs fiziskais mehānisms darbā kvantu datorā ir teorētiski nedaudz sarežģīts un intuitīvi satraucošs. Parasti tas tiek skaidrots ar kvantu fizikas daudzpasaules interpretāciju, kurā dators veic aprēķinus ne tikai mūsu Visumā, bet arī citi Visumi vienlaicīgi, kamēr dažādās kvītis atrodas kvantu koherences stāvoklī. Lai arī tas izklausās tālu, tiek parādīts, ka daudzās pasaules interpretācija sniedz prognozes, kas atbilst eksperimentālajiem rezultātiem.
Kvantu skaitļošanas vēsture
Kvantu skaitļošanai ir tendence izsekot tās saknēm līdz 1959. Gada runai Ričards P. Feinmans kurā viņš runāja par miniaturizācijas sekām, ieskaitot ideju izmantot kvantu efektus, lai izveidotu jaudīgākus datorus. Arī šo runu parasti uzskata par sākuma punktu nanotehnoloģijas.
Protams, pirms varēja realizēt skaitļošanas kvantu efektus, zinātniekiem un inženieriem bija pilnīgāk jāizstrādā tradicionālo datoru tehnoloģija. Tas ir iemesls, kāpēc daudzus gadus nebija tieša progresa un pat nebija interese par ideju padarīt Feynman ierosinājumus par realitāti.
1985. gadā Oksfordas Universitātes Deivids Deutshs izvirzīja ideju par “kvantu loģikas vārtiem” kā līdzekli kvantu valstības izmantošanai datorā. Faktiski Deutsch raksts par šo tēmu parādīja, ka jebkuru fizisku procesu var modelēt ar kvantu datoru.
Gandrīz pēc desmit gadiem, 1994. gadā, AT & T's Peter Shor izstrādāja algoritmu, kas dažu pamata faktorizāciju veikšanai varēja izmantot tikai 6 kvitus... jo vairāk simbolu, jo sarežģītāki, protams, kļuva skaitļi, kuriem nepieciešama faktorizācija.
Ir uzbūvēta nedaudz kvantu datoru. Pirmais, 2-bitu kvantu dators 1998. gadā, varēja veikt triviālus aprēķinus, pirms dažām nanosekundēm zaudēt dekoherenci. 2000. gadā komandas veiksmīgi uzbūvēja gan 4-bitu, gan 7-bitu kvantu datoru. Pētījumi par šo tēmu joprojām ir ļoti aktīvi, lai gan daži fiziķi un inženieri pauž bažas par grūtībām, kas saistītas ar šo eksperimentu palielināšanu pilna mēroga datorsistēmām. Tomēr šo sākotnējo darbību panākumi liecina, ka pamat teorija ir pareiza.
Grūtības ar kvantu datoriem
Kvantu datora galvenais trūkums ir tāds pats kā tā stiprumam: kvantu dekorerence. Kvita aprēķini tiek veikti, kamēr kvantu viļņu funkcija atrodas superpozīcijas stāvoklī starp stāvokļiem, kas ļauj veikt aprēķinus, izmantojot gan 1, gan 0 stāvokļus vienlaicīgi.
Tomēr, veicot jebkura veida mērījumu kvantu sistēmai, decoherence sabojājas un viļņa funkcija sabrūk vienā stāvoklī. Tāpēc datoram kaut kā jāturpina veikt šie aprēķini, neveicot mērījumus līdz pareizajam laikam, kad pēc tam tas var izkrist no kvantu stāvokļa, veikt mērījumu, lai nolasītu tā rezultātu, kas pēc tam tiek pārnests uz pārējo sistēma.
Fiziskās prasības manipulēt ar sistēmu šādā mērogā ir ievērojamas, skarot virsvadītāju, nanotehnoloģiju un kvantu elektronikas, kā arī citu jomas. Katra no tām pati par sevi ir sarežģīta joma, kas joprojām tiek pilnībā attīstīta, tāpēc mēģina apvienoties tie visi kopā funkcionālā kvantu datorā ir uzdevums, kuru es īpaši neskaudu kāds... izņemot personu, kurai beidzot veicas.