چه چیزی باعث می شود یک کامپیوتر کوانتومی بسیار متفاوت (و خیلی سریعتر) از یک رایانه معمولی باشد؟

به راحتی می توان محاسبه را به عنوان چیزی انتزاعی که در حوزه ایده ها اتفاق می افتد ، و نه در دنیای فیزیکی ، آسان کرد. از این گذشته ، یک برنامه رایانه ای به قوانین ریاضیات اشاره می کند ، نه به قوانین فیزیک. اما در تجزیه و تحلیل نهایی ، هر محاسبه واقعی باید توسط یک سیستم فیزیکی انجام شود ، از قوانین فیزیک برای دستکاری اطلاعاتی که توسط وضعیت برخی از دستگاه ها نشان داده شده است ، مانند دستورالعمل های مغناطش در برخی از نقاط خاص در یک هارد دیسک انجام شود. هدایت مجموعه خاصی از ترانزیستورها در داخل تراشه حافظه رایانه. از آنجا که هر بیت اطلاعات می تواند دو مقدار را به خود اختصاص دهد ، حالت های مختلف فیزیکی برای مطابقت با "0" یا "1" انتخاب می شوند.

در یک رایانه کوانتومی ، اطلاعات توسط حالتهای فیزیکی نشان داده شده است که به اندازه کافی میکروسکوپی و منزوی هستند به طوری که آنها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند. به عنوان مثال ، چرخش یک الکترون واحد یا پیکربندی یون فردی ، دو نفر در بین بسیاری از نامزدهای ممکن برای ذخیره چنین بیت کوانتومی (یا quit) اطلاعات هستند. هیئت منصفه هنوز در کدام سیستم بهینه است ، بنابراین به خاطر این بحث ، رایانه ای را تصور کنید که در آن اطلاعات به صورت سکه های قرار داده شده در یک میز ، با سرها ("1") و دم ("0" ذخیره می شود.) دو حالت ممکن هر بیت. سپس با جایگزینی سکه های کوانتومی که سرها و دم آنها حالت های مکانیکی کوانتومی هستند ، تبلت را به یک رایانه کوانتومی تبدیل کنید.

یک سکه معمولی را می توان روی یک میز قرار داد تا سر یا دم را نشان دهد ، و این واقعیت را نشان می دهد که بیتی که نشان می دهد باید در هر دو یا 0 باشد. در مقابل ، قوانین مکانیک کوانتومی به سکه های کوانتومی ما اجازه می دهد تا هر دو سر را نشان دهند ودم به یکباره (دقیقاً مانند گربه معروف شرودینگر می تواند همزمان مرده و هم زنده باشد در یک جعبه مهر و موم شده) ، تا هر درجه ای که انتخاب می کنیم. این توانایی با این ماده مهم همراه است که وقتی واقعاً جهت گیری یک سکه را اندازه می گیریم ، بین دو کشور انتخاب می شود. به عنوان مثال ، تهیه سکه در حالت 75 درصد سر و 25 درصد دم امکان پذیر است. سکه در این حالت باقی می ماند تا زمانی که کسی آن را اندازه گیری کند ، و این باعث می شود سکه به طور تصادفی بین سرها و دمها انتخاب کند و سرها سه برابر بیشتر از دم باشند. این تصادفی به دلیل عدم آگاهی از سکه ایجاد نمی شود. این سکه واقعاً یک حالت مشخص را انتخاب می کند و تا زمانی که این اتفاق بیفتد ، وضعیت آن کاملاً توسط یک شماره توصیف می شود: درجه ای که نشان می دهد سر یا 75 درصد است. ممکن است بسیار عجیب به نظر برسد که عمل صرف نگاه به سکه باعث تغییر وضعیت آن می شود. این پدیده ناشی از شکنندگی شدید حالتهای کوانتومی است. هرگونه تعامل با محیط آنها تأثیر عمیقی دارد و اندازه گیری به ناچار نیاز به تعامل دارد. در حقیقت ، یک سکه کوانتومی در صورت وجود هرگونه اطلاعاتی در مورد آن ، حتی در اصل ، در دسترس جهان خارج است. بنابراین یک کامپیوتر کوانتومی باید انزوای بسیار دقیق از کمیته های تشکیل دهنده خود را برای عملکرد حفظ کند.

اگر دیدگاه خود را به دو سکه کوانتومی گسترش دهیم ، به وضوح چهار نتیجه ممکن برای اندازه گیری وضعیت آنها وجود دارد: هر دو سر (1،1) ، هر دو دم (0/0) و دو ترکیب یک سر و یک دم (1و 1،0)Mechanics Quantum به ما امکان می دهد تا هر وزنی را که می خواهیم به هر ترکیب اختصاص دهیم ، تا زمانی که کل تا 100 درصد اضافه شود. از این رو برای توصیف کامل این دو سکه به سه عدد لازم است (چهارم محدود شده است زیرا کل باید تا 100 درصد اضافه شود). به طور مشابه ، ما به هفت عدد برای سه سکه ، 15 عدد برای چهار ، 31 برای پنج و غیره نیاز داریم. پیچیدگی حالت کوانتومی به سرعت فوق العاده بزرگ می شود: برای توصیف تنها 100 سکه کوانتومی به 1،267،650،600،228،229،401،496،703،205،375 اعداد مختلف-بسیاری از میلیارد بار ظرفیت ذخیره همه رایانه های تاکنون نیاز دارد.

در صورتی که هر کسی شروع به انتظار آینده روشن هارد های کوانتومی جمع و جور و مفید با ظرفیت ذخیره سازی یک تریلیون کتابخانه کنگره کند ، مهم است که درک کنیم که تقریباً هیچ یک از اطلاعات موجود در چنین دستگاهی قابل دسترسی نیست. حتی اگر 100 سکه کوانتومی ما در اصل حاوی مقدار حیرت انگیز از اطلاعات باشد ، تلاش برای خواندن آن ، هر سکه را به حالت مشخصی از سر یا دمها وادار می کند و فقط 100 بیت اطلاعات را به همراه دارد. علیرغم این واقعیت ناخوشایند ، اگر بدانیم که امکان دستکاری سکه ها بدون اینکه واقعاً به جهت گیری آنها نگاه کنیم ، می توان از پیچیدگی حالت کوانتومی استفاده کرد. به عنوان مثال ، اعمال چرخیدن یک سکه یا تعویض موقعیت دو سکه کاملاً کاملاً تعریف شده است حتی اگر مشخص نیست کدام طرف از چه سکه ای است. حتی معلوم می شود که این دو عمل (تلنگر و مبادله) تمام کارهایی هستند که برای انجام هرگونه محاسبات دلخواه با سکه ها لازم است ، حداقل در صورتی که اجازه می دهیم تلنگر و مبادله های جزئی داشته باشیم. به عنوان مثال ، یک چهارم تلنگر یک سکه که 100 درصد از آنهاست ، سکه ای را نشان می دهد که 75 درصد سر (و 25 درصد دم) را نشان می دهد. برای تکمیل تلنگر و ساخت سکه 100 درصدی سکه ، تلنگر سه چهارم دیگر لازم است. از آنجا که 100 سکه کوانتومی می توانند به طور همزمان تمام اعداد 100 بیتی ممکن را در حالت کوانتومی عظیم خود نشان دهند ، محاسبه ممکن است در یک محاسبه موازی واحد بر روی تمام این اعداد انجام شود. این موازی سازی داخلی کلید قدرت رایانه های کوانتومی است.

به عنوان مثال ، یک مشکل اصلی در رمزنگاری مدرن ، جستجوی عوامل اعداد صحیح بسیار بزرگ است. در یک رایانه معمولی ، کارآمدترین رویکرد اساساً شامل تقسیم عدد صحیح توسط هر تعداد کوچکتر از مربع آن است تا ببیند کدام یک از آنها فاکتور خواهد داشت. با اضافه شدن رقم بیشتر به عدد صحیح ، زمان لازم برای این آزمایش خیلی سریع رشد می کند. با این حال ، با داشتن یک رایانه کوانتومی ، فاکتورسازی یک ضربه محکم و ناگهانی است ، زیرا ما می توانیم آزمایش را به طور همزمان بر روی همه اعداد انجام دهیم و بنابراین فقط یک آزمایش واحد برای یافتن پاسخ مناسب لازم است.

طراحی الگوریتم های کوانتومی کارآمد به نظر می رسد بسیار چالش برانگیز است و در حال حاضر تعداد معدودی از آنها شناخته شده است ، مهمترین آنها الگوریتم فاکتورسازی که در بالا ذکر شد. ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل ، یک مشکل به همان اندازه دشوار است ، زیرا حالات کوانتومی جمعی در قلب آن بسیار شکننده و دستکاری است. این امر محاسبات کوانتومی را به یکی از چالش های بزرگ فکری زمان ما تبدیل می کند و این موضوع جذاب احتمالاً سالهای آینده در صدر تحقیقات باقی خواهد ماند.