Hur kvantdatorer fungerar

En kvantdator är en datordesign som använder principerna för kvantfysik att öka beräkningskraften 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.

Datorer fungerar genom att lagra data i en binärt nummer format, vilket resulterar i en serie 1s & 0s som behålls i elektroniska komponenter såsom transistorer. Varje komponent i datorminnet kallas a bit och kan manipuleras genom stegen i den booleska logiken så att bitarna förändras, baserat på algoritmer som används av datorprogrammet, mellan lägen 1 och 0 (ibland kallad "på" och "av").

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 deras datasäkerhet krypteringar, som är baserade på faktorer av stort antal som bokstavligen inte kan knäckas av traditionella datorer inom livslängden på universum. 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 kvbit i samma superposition, då 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 kvantdators 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.

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

Naturligtvis, innan kvanteffekterna av datoranvändning kunde realiseras, var forskare och ingenjörer mer tvungna att 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 alnar desto mer komplexa blev antalet som kräver faktorisering naturligtvis.

En handfull kvantdatorer har byggts. Den första, en 2-bitars kvantdator 1998, kunde utföra triviala beräkningar innan man 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.

Kvantdatorns huvudsakliga nackdel är densamma som dess styrka: kvantdekoherens. Qubitberäkningarna utförs medan kvantvågfunktionen är i superpositionstillstånd mellan tillstånd, vilket är det som gör det möjligt att utföra beräkningarna med både 1 & 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, när den kan sedan 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 i denna skala är betydande och berör riket för superledare, nanoteknologi och kvantelektronik såväl som andra. Var och en av dessa är i sig ett sofistikerat fält som fortfarande håller på att utvecklas och försöker smälta samman dem alla tillsammans till en funktionell kvantdator är en uppgift som jag inte särskilt avundar någon... förutom personen som äntligen lyckas.