איך מחשבים קוונטיים עובדים

מחשב קוונטי הוא תכנון מחשב העושה שימוש בעקרונות של פיזיקה קוונטית להגדיל את כוח החישוב מעבר למה שניתן להשיג באמצעות מחשב מסורתי. מחשבים קוונטיים נבנו בקנה מידה קטן והעבודה ממשיכה לשדרג אותם לדגמים מעשיים יותר.

מחשבים מתפקדים על ידי אחסון נתונים ב- מספר בינארי בפורמט, שמביאים לסדרה של 1s & 0s שנשמרים ברכיבים אלקטרוניים כמו טרנזיסטורים. כל רכיב בזיכרון המחשב נקרא א קצת וניתן לתמרן אותם דרך השלבים של ההיגיון הבוליאני כך שהקטעים ישתנו, בהתבסס על אלגוריתמים המיושמים על ידי תוכנית המחשב, בין מצבי 1 ל - 0 (המכונה לעיתים "מופעל" ו- "כבוי").

לעומת זאת, מחשב קוונטי יאגר מידע כ- 1, 0 או סופרפוזיציה קוונטית של שני המצבים. "ביט קוונטי" כזה מאפשר גמישות רבה בהרבה מהמערכת הבינארית.

באופן ספציפי, מחשב קוונטי יוכל לבצע חישובים בסדר גודל גדול בהרבה מהמחשבים המסורתיים... מושג שיש בו חששות ויישומים רציניים בתחום הקריפטוגרפיה וההצפנה. יש החוששים כי מחשב קוונטי מצליח ופרקטי יהרוס את המערכת הפיננסית העולמית על ידי קריסת אבטחת המחשבים שלהם הצפנות, המבוססות על פקטורציה של מספרים גדולים שבאופן פשוטו כמשמעו אי אפשר לפצח מחשבים מסורתיים במהלך תוחלת החיים של יקום. לעומת זאת, מחשב קוונטי יכול היה לקבוע את המספרים בפרק זמן סביר.

כדי להבין כיצד זה מזרז את הדברים, שקול דוגמה זו. אם הקיטביט נמצא בסופרפוזיציה של מצב 1 ומצב 0, והוא ביצע חישוב עם קווביט אחר במצב אותה סופרפוזיציה, ואז למעשה חישוב אחד משיג 4 תוצאות: תוצאה של 1/1, תוצאה של 1/0, תוצאה של 0/1 ו- 0/0 תוצאה. זוהי תוצאה של המתמטיקה המיושמת על מערכת קוונטית במצב של decoherence, הנמשכת בזמן שהיא נמצאת בסופרפוזיציה של מצבים עד שהיא מתמוטטת למצב אחד. היכולת של מחשב קוונטי לבצע חישובים מרובים בו זמנית (או במקביל, במונחים ממוחשבים) נקראת הקבלה קוונטית.

המנגנון הפיזי המדויק בעבודה בתוך מחשב הקוונטים הוא מורכב במידה מסוימת ומטריד אינטואיטיבית. באופן כללי, זה מוסבר במונחים של פרשנות רב-עולמית של פיזיקת הקוונטים, בה המחשב מבצע חישובים לא רק ביקום שלנו, אלא גם ב- אחר יקומים בו זמנית, בעוד שהקיביטים השונים נמצאים במצב של decoherence קוונטי. למרות שזה נשמע מופרך, הוכח שהפרשנות הרב-עולמית גורמת לחיזויים התואמים לתוצאות ניסיוניות.

מחשוב קוונטי נוטה להתחקות אחר שורשיו לנאום שנשא ב -1959 ריצ'רד פ. פיינמן בו דיבר על השפעות מיניאטור, כולל הרעיון של ניצול אפקטים קוונטיים ליצירת מחשבים חזקים יותר. נאום זה נחשב בדרך כלל לנקודת המוצא של ננו-טכנולוגיה.

כמובן, לפני שניתן היה לממש את ההשפעות הקוונטיות של המחשוב, על מדענים ומהנדסים לפתח את הטכנולוגיה של המחשבים המסורתיים בצורה מלאה יותר. זו הסיבה שבמשך שנים רבות לא הייתה התקדמות ישירה מועטה, ואפילו לא עניין, ברעיון להפוך את הצעותיו של פיינמן למציאות.

בשנת 1985 הובא הרעיון של "שערי לוגיקה קוונטית" על ידי דייויד דויטש מאוניברסיטת אוקספורד, כאמצעי לרתום את התחום הקוונטי בתוך מחשב. למעשה, העיתון של דויטש בנושא הראה כי כל תהליך פיזי יכול להיות מודל על ידי מחשב קוונטי.

כמעט עשור לאחר מכן, בשנת 1994, פיטר שור של AT&T תכנן אלגוריתם שיכול להשתמש רק ב -6 קוביות לביצוע כמה פקטורציות בסיסיות... יותר אמות ככל שהמספרים הדורשים פקטורציה היו מורכבים יותר, כמובן.

קומץ מחשבים קוונטיים נבנה. הראשון, מחשב קוונטי עם 2 פיקסלים בשנת 1998, יכול היה לבצע חישובים טריוויאליים לפני שאיבד דקורנטיות לאחר מספר ננו-שניות. בשנת 2000 צוותים בנו בהצלחה הן מחשב קוואטי והן מחשב קוונטי 7 קילו. המחקר בנושא פעיל עדיין מאוד, אם כי ישנם פיזיקאים ומהנדסים המביעים חששות מהקשיים הכרוכים בהשבת ניסויים אלה למערכות מחשוב בקנה מידה מלא. ובכל זאת, הצלחתם של צעדים ראשוניים אלה אכן מראה כי התיאוריה הבסיסית היא קול.

החיסרון העיקרי של מחשב הקוונטים זהה לחוזק שלו: דקורנטיות קוונטית. חישובי הקיטביט מבוצעים בזמן שפונקציית הגל הקוונטי במצב של סופרפוזיציה בין מצבים, וזה מה שמאפשר לו לבצע את החישובים בשני מצבי 1 ו- 0 בו זמנית.

עם זאת, כאשר מתבצעת מדידה מכל סוג למערכת קוונטית, decoherence מתקלקל ופונקציית הגל קורסת למצב יחיד. לפיכך, על המחשב איכשהו להמשיך לבצע את החישובים הללו מבלי לבצע מדידות עד למועד המתאים, מתי לאחר מכן הוא יכול ליפול ממצב הקוונטים, לבצע מדידה לקריאת התוצאה שלה, ואז מועבר לשאר חלקי מערכת.

הדרישות הפיזיות של מניפולציה של מערכת בקנה מידה זה הינן ניכרות, ונוגעות בתחומי מוליכי-על, ננו-טכנולוגיה ואלקטרוניקה קוונטית, כמו גם אחרות. כל אחד מאלה הוא בעצמו תחום מתוחכם שעדיין מפותח במלואו, כך שמנסים להתמזג כולם יחד למחשב קוונטי פונקציונאלי זו משימה שאני לא מקנא בה במיוחד מישהו... למעט האדם שמצליח סוף סוף.