Czym są komputery kwantowe i jak działają „kwantowo”?

Ogromne fale zainteresowania są generowane przez rozwój potężnych komputerów kwantowych przez wybraną grupę wiodących światowych firm. Tak bardzo, że (bardzo piękny) komputer kwantowy niedawno się do tego zabrał Okładka magazynu „Time”.. Oto nasz ekspert Chris Lester Bada historię tej fascynującej dziedziny i pyta: Co sprawia, że ​​komputery kwantowe są „kwantowe”?

Wiek kwantowy… i komputery

Trudno jest dokładnie określić początek ery kwantowej, ale można śmiało powiedzieć, że wiele teoretycznych podstaw mechaniki kwantowej zostało po raz pierwszy nakreślonych na początku lat dwudziestych XX wieku.^y Stulecie. W pierwszej dekadzie tego wieku Max Planck i Albert Einstein odkryli, że mogą dokładniej wyjaśnić zjawiska fizyczne związane ze światłem i materią (promieniowanie ciała doskonale czarnego i efekt fotoelektryczny), zakładając, że światło jest „zdefiniowane” w dyskretnych pakietach energii .

Późniejsze odkrycia wielu innych wykazały zaskakujący wynik, że światło i materia fizyczna mogą wykazywać właściwości zarówno cząstek, jak i fal. Dualizm korpuskularno-falowy doprowadził do odkrycia wielu nieoczekiwanych efektów, w tym „tunelowania kwantowego”, w którym (na przykład) elektron może przeskoczyć na drugą stronę bariery, której – zgodnie z teoriami przedkwantowymi – cząstka tak naprawdę nie mieć wystarczająco dużo energii, aby ją pokonać. Tunelowanie kwantowe nie jest przedmiotem zainteresowania czysto akademickiego lub intelektualnego, ale znalazło rzeczywiste zastosowanie w nauce diody tunelowe – Typ urządzenia półprzewodnikowego, które wykazuje ujemną rezystancję różnicową.

20^y W tym stuleciu nastała także era komputerów cyfrowych, począwszy od najwcześniejszych systemów Wypełnia całe pokoje Do dzisiejszych smartfonów, noszonych w kieszeniach miliardów ludzi. Ten szybki rozwój był napędzany m.in znany trend Możliwość zmieszczenia większej liczby tranzystorów o mniejszych rozmiarach na jednym chipie. Jak zauważył Richard Feynman, w miarę jak komponenty elektroniczne stosowane w komputerach osiągają coraz mniejsze mikroskopijne rozmiary, niezwykłe efekty przewidywane przez mechanikę kwantową prawdopodobnie będą zyskiwać na znaczeniu. Kuszące jest więc pytanie (tak jak zrobił to Feynman), czy dziwne efekty świata kwantowego można wykorzystać do stworzenia potężniejszych komputerów?

Ile (około) komputerów?

A komputer kwantowy Jest często opisywany jako urządzenie, które wykorzystuje właściwości mechaniki kwantowej materii do wykonywania obliczeń. Czy to oznacza, że ​​wszystkie współczesne komputery — oparte na cząstkach subatomowych, które mają wyraźnie kwantowy charakter — są w pewnym sensie „komputerami kwantowymi”?

Weźmy na przykład obwód komputerowy ujawniony w brytyjskim zgłoszeniu patentowym GB952610A, opublikowany po raz pierwszy w 1964 r., który wykorzystuje pliki binarne tunelowania do wykonywania obliczeń. Obwód otrzymuje dwa sygnały składające się z bitów binarnych (0 i 1s), a ujemna rezystancja różnicowa (kluczowa właściwość diod tunelowych) jest używana do sumowania tych dwóch sygnałów. Diody tunelujące wykorzystują efekt mechaniki kwantowej znany jako tunelowanie kwantowe, a obwód wykorzystuje te kwantowo-mechaniczne diody tunelujące do wykonywania obliczeń. Czy to kwalifikuje obwód w GB952610A jako rodzaj komputera kwantowego? A może czegoś brakuje?

Quantum „na całego”

Chociaż prawdą jest, że działanie wszystkich nowoczesnych komputerów cyfrowych opiera się na cząstkach subatomowych – a niektóre wykorzystują komponenty wykorzystujące efekty mechaniki kwantowej – wielu twierdzi, że w „prawdziwym” komputerze kwantowym wszystko, od szyfrowania danych po logikę obliczeń, powinno być kwantowe . Innymi słowy, komputer kwantowy musi być „do końca”.

Więc chociaż GB952610A ujawnia komputer, który polega na efekcie mechaniki kwantowej (tunelowanie kwantowe) do wykonywania obliczeń, nadal zbiera bity binarne (0 i 1). W przeciwieństwie do typów komputerów powszechnie określanych jako „komputery kwantowe”, nawet same bity są bitami kwantowymi lub „kubitami”.

Kubit to układ kwantowy, który ma (na przykład) dwa poziomy lub stany, zwykle zapisywane jako ∣0〉 i 1〉. Kubit może znajdować się w jednym z dwóch stanów lub — w przeciwieństwie do bitów w komputerze cyfrowym — w kombinacji lub mieszaninie obu stanów. To mieszanie stanów jest znane jako superpozycja i jest to kolejna podstawowa idea mechaniki kwantowej. Możliwość manipulowania i wykonywania obliczeń przy użyciu kubitów zamiast bitów otwiera drzwi do całego świata nowych i ekscytujących możliwości.

Nowe, wyspecjalizowane algorytmy wykorzystujące kubity mogą pewnego dnia umożliwić komputerom kwantowym wykonywanie obliczeń znacznie szybciej niż ich cyfrowe odpowiedniki. Na przykład algorytm Grovera mógłby umożliwić szybsze wyszukiwanie przy użyciu kubitów. W rzeczywistości pierwsza demonstracja komputera kwantowego w 1998 r 2-kubitowy komputer kwantowy Aby zaimplementować ten konkretny algorytm.

Chociaż ten wczesny komputer kwantowy był w stanie rozwiązać tylko podstawowe problemy – i mógł zachować spójność tylko przez kilka sekund – był pionierem najnowocześniejszych komputerów kwantowych (z wieloma dziesiątkami kubitów) używanych obecnie. I choć może się wydawać, że jest jeszcze długa droga, zanim komputery kwantowe prześcigną komputery cyfrowe pod względem mocy obliczeniowej i szybkości, istnieją Prawdziwy apetyt na jego korzyści raczej wcześniej niż później.

Powstanie ery komputerów kwantowych

Chociaż efekty kwantowe są znane i stosowane w komputerach od jakiegoś czasu, wydaje się, że era właściwych obliczeń kwantowych dopiero się rozpoczyna. każdego roku, Rosnąca liczba zgłoszeń patentowych Rachunki ilościowe są oferowane w jurysdykcjach na całym świecie, prawdopodobnie odzwierciedlając ogromne sumy, które są inwestowane.

Szczególnie interesujące ostatnie wydarzenia obejmują pojawienie się komputerów hybrydowych – łączących procesory cyfrowe i kwantowe – oraz rozszerzającą się listę dostępnych na rynku systemów używanych przez niektóre wiodące światowe firmy. z Skrócenie czasu tranzytu pasażerów na lotniskach Do Transformacja usług finansowych i wykrywanie oszustwKomputery kwantowe są już wykorzystywane do rozwiązywania rzeczywistych problemów w wielu branżach.