Wie Quantencomputer funktionieren

Ein Quantencomputer ist ein Computerdesign, das die Prinzipien von verwendet Quantenphysik die Rechenleistung über das hinaus zu erhöhen, was mit einem herkömmlichen Computer erreichbar ist. Quantencomputer wurden in kleinem Maßstab gebaut und werden weiterhin auf praktischere Modelle umgestellt.

Computer funktionieren durch Speichern von Daten in a Binärzahl Format, das zu einer Reihe von Einsen und Nullen führt, die in elektronischen Bauteilen wie z Transistoren. Jede Komponente des Computerspeichers wird als a bezeichnet bisschen und kann durch die Schritte der Booleschen Logik manipuliert werden, so dass sich die Bits basierend auf dem ändern Vom Computerprogramm angewendete Algorithmen zwischen den Modi 1 und 0 (manchmal als "Ein" und "Ein" bezeichnet) "aus").

Ein Quantencomputer würde andererseits Informationen entweder als 1, 0 oder als Quantenüberlagerung der beiden Zustände speichern. Ein solches "Quantenbit" ermöglicht eine weitaus größere Flexibilität als das Binärsystem.

Insbesondere wäre ein Quantencomputer in der Lage, Berechnungen in einer weitaus größeren Größenordnung durchzuführen als herkömmliche Computer... Ein Konzept, das ernsthafte Bedenken und Anwendungen im Bereich Kryptographie und Verschlüsselung hat. Einige befürchten, dass ein erfolgreicher und praktischer Quantencomputer das Finanzsystem der Welt zerstören könnte, indem er ihre Computersicherheit beeinträchtigt Verschlüsselungen, die auf der Berücksichtigung großer Zahlen basieren, die von herkömmlichen Computern innerhalb der Lebensdauer des Unternehmens buchstäblich nicht geknackt werden können Universum. Ein Quantencomputer hingegen könnte die Zahlen in einem angemessenen Zeitraum faktorisieren.

Betrachten Sie dieses Beispiel, um zu verstehen, wie dies die Dinge beschleunigt. Befindet sich das Qubit in einer Überlagerung des 1-Zustands und des 0-Zustands, führt es eine Berechnung mit einem anderen Qubit im Dieselbe Überlagerung, dann erhält eine Berechnung tatsächlich 4 Ergebnisse: ein 1/1 Ergebnis, ein 1/0 Ergebnis, ein 0/1 Ergebnis und ein 0/0 Ergebnis. Dies ist ein Ergebnis der Mathematik, die auf ein Quantensystem angewendet wird, wenn es sich in einem Dekohärenzzustand befindet, der dauert, während es sich in einer Überlagerung von Zuständen befindet, bis es in einen Zustand zusammenbricht. Die Fähigkeit eines Quantencomputers, mehrere Berechnungen gleichzeitig (oder parallel zu Computern) durchzuführen, wird als Quantenparallelität bezeichnet.

Der genaue physikalische Mechanismus im Quantencomputer ist theoretisch etwas komplex und intuitiv störend. Im Allgemeinen wird dies anhand der Multi-World-Interpretation der Quantenphysik erklärt, bei der der Computer Berechnungen nicht nur in unserem Universum, sondern auch in unserem Universum durchführt andere Universen gleichzeitig, während sich die verschiedenen Qubits in einem Zustand der Quantendekohärenz befinden. Während dies weit hergeholt klingt, hat sich gezeigt, dass die Multi-World-Interpretation Vorhersagen macht, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.

Quantum Computing geht in der Regel auf eine Rede von 1959 zurück Richard P. Feynman in dem er über die Auswirkungen der Miniaturisierung sprach, einschließlich der Idee, Quanteneffekte zu nutzen, um leistungsfähigere Computer zu schaffen. Diese Rede wird auch allgemein als Ausgangspunkt von angesehen Nanotechnologie.

Bevor die Quanteneffekte des Rechnens realisiert werden konnten, mussten Wissenschaftler und Ingenieure natürlich die Technologie traditioneller Computer umfassender entwickeln. Aus diesem Grund gab es viele Jahre lang kaum direkte Fortschritte oder gar kein Interesse an der Idee, Feynmans Vorschläge in die Realität umzusetzen.

1985 wurde von David Deutsch von der Universität Oxford die Idee der "Quantenlogikgatter" vorgestellt, um das Quantenreich in einem Computer zu nutzen. Tatsächlich zeigte Deutschs Artikel zu diesem Thema, dass jeder physikalische Prozess von einem Quantencomputer modelliert werden kann.

Fast ein Jahrzehnt später, 1994, entwickelte Peter Shor von AT & T einen Algorithmus, der nur 6 Qubits verwenden konnte, um einige grundlegende Faktorisierungen durchzuführen... Je mehr Ellen, desto komplexer wurden natürlich die zu faktorisierenden Zahlen.

Eine Handvoll Quantencomputer wurde gebaut. Der erste, ein 2-Qubit-Quantencomputer aus dem Jahr 1998, konnte triviale Berechnungen durchführen, bevor er nach einigen Nanosekunden die Dekohärenz verlor. Im Jahr 2000 bauten die Teams erfolgreich sowohl einen 4-Qubit- als auch einen 7-Qubit-Quantencomputer. Die Forschung zu diesem Thema ist immer noch sehr aktiv, obwohl einige Physiker und Ingenieure Bedenken hinsichtlich der Schwierigkeiten äußern, die mit der Hochskalierung dieser Experimente auf vollständige Computersysteme verbunden sind. Der Erfolg dieser ersten Schritte zeigt jedoch, dass die fundamentale Theorie solide ist.

Der Hauptnachteil des Quantencomputers ist der gleiche wie seine Stärke: die Quantendekohärenz. Die Qubit-Berechnungen werden durchgeführt, während sich die Quantenwellenfunktion in einem Überlagerungszustand befindet zwischen Zuständen, was es ihm ermöglicht, die Berechnungen unter Verwendung von 1 & 0 Zuständen durchzuführen gleichzeitig.

Wenn jedoch eine Messung irgendeines Typs an einem Quantensystem durchgeführt wird, bricht die Dekohärenz zusammen und die Wellenfunktion kollabiert in einen einzelnen Zustand. Daher muss der Computer diese Berechnungen irgendwie fortsetzen, ohne dass Messungen zum richtigen Zeitpunkt durchgeführt werden es kann dann aus dem Quantenzustand herausfallen, eine Messung durchführen lassen, um sein Ergebnis zu lesen, das dann an den Rest des weitergegeben wird System.

Die physikalischen Anforderungen für die Manipulation eines Systems in dieser Größenordnung sind beträchtlich und betreffen unter anderem die Bereiche Supraleiter, Nanotechnologie und Quantenelektronik. Jedes von ihnen ist selbst ein hoch entwickeltes Feld, das sich noch in der vollständigen Entwicklung befindet und versucht, sich zusammenzuschließen sie alle zusammen zu einem funktionierenden Quantencomputer zu machen, ist eine Aufgabe, um die ich nicht besonders beneide jemand... bis auf die Person, die es endlich schafft.