Μια πραγματικότητα, ακόμα πέρα ​​από τη γνώση μας - Quantum Computers

Στη ζωή όλων υπάρχουν στιγμές, πράγματα που δεν μπορούμε να εξηγήσουμε. Πράγματα που δεν μπορούμε να καταλάβουμε. Λοιπόν, στο θέμα των Quantum Computers, όλοι είμαστε σε αυτήν την κατάσταση, συμπεριλαμβανομένων των μεγαλύτερων μυαλού του κόσμου του 20ου και του 21ου αιώνα.

Πηγή: i.ytimg.com

Άρα οι άνθρωποι έχουν κατασκευάσει κβαντικούς υπολογιστές αλλά δεν μπορούν να τον καταλάβουν;

Πόσο αμφιλεγόμενο είναι αυτό; Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες γνωρίζουν την επιφανειακή λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών, αλλά η βασική αρχή που διέπει ολόκληρη τη συμπεριφορά του κβαντικού υπολογιστή εξακολουθεί να είναι συζητήσιμη.

Τι είναι λοιπόν αυτή η περίεργη επιστήμη και οι περίεργοι υπολογιστές;

«Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν». - Albert Einstein
«Όχι μόνο ο Θεός παίζει ζάρια αλλά… μερικές φορές τους πετάει εκεί που δεν μπορούν να δουν». - Στίβεν Χόκινγκ

Έτσι περιγράφεται αυτή η μυστηριώδης επιστήμη, ο μεγαλύτερος νους του 20ου αιώνα και ο μεγαλύτερος νους του 21ου αιώνα. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πίστευε ότι η πορεία όλων των γεγονότων είναι προκαθορισμένη. Αλλά ο Χόκινγκ λέει όχι όχι. Μερικές φορές τα πράγματα συμβαίνουν με τρόπο που μόνο ο Θεός μπορεί να εξηγήσει. Γιατί τόσο πολλές συζητήσεις; Δεν μπορούν να συμφωνήσουν σε κάτι; Λοιπόν το γεγονός είναι όπως αναφέρεται η κβαντική μηχανική είναι πραγματικά μυστηριώδης. Αυτή η κβαντική συμπεριφορά παραβιάζει τα περισσότερα από τα γενικά φαινόμενα φυσικής. Όχι μόνο αυτό, αυτή η φύση μπορεί να φανεί μόνο σε πολύ μικρά σωματίδια.

Καλώς ήλθατε στον κόσμο των Μαθηματικών. Η κβαντική συμπεριφορά εξηγείται πλήρως από ένα σύνολο μαθηματικών μοντέλων και τα αποτελέσματα είναι πραγματικά αμφιλεγόμενα με τον φυσικό κόσμο που βιώνουμε καθημερινά.

Βασικά αυτή η κβαντική φυσική εξαρτάται από την πιθανότητα. Ως απλό παράδειγμα, ενώ διαβάζετε αυτό το άρθρο ενώ βρίσκεστε στο λεωφορείο, παρόλο που ίσως να μην πιστεύετε, σύμφωνα με την κβαντική φυσική, υπάρχει πιθανότητα να είστε στο «Λευκό Οίκο». Και θυμηθείτε ότι η πιθανότητα είναι μεγαλύτερη από το μηδέν !!. Αλλά αυτό θα είναι πολύ μικρό σαν το ένα δισεκατομμύριο. Θεωρητικά υπάρχει μια πιθανότητα !. Όταν τα σωματίδια γίνονται μικρότερα και μικρότερα, αυξάνεται η πιθανότητα. Όταν λαμβάνεται υπόψη ένα ηλεκτρόνιο με μάζα 9.10938356 × 10-31 κιλά, σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής υπάρχει σημαντική πιθανότητα. Αυτό που εμμέσως λέει ότι υπάρχει πιθανότητα αυτό το ηλεκτρόνιο να υπάρχει και στα δύο μέρη. Γενικότερα, το ηλεκτρόνιο μπορεί να υπάρχει σε περισσότερες από μία καταστάσεις. Αυτή είναι η βασική ιδέα πίσω από την απόλυτη δύναμη επεξεργασίας των κβαντικών υπολογιστών και θα φτάσουμε σε αυτό.

Στα τέλη της δεκαετίας του 90, ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Richard Feynman ήρθε για πρώτη φορά με την ιδέα του κβαντικού υπολογιστή. Στην πραγματικότητα αυτή ήταν μόνο η ιδέα. Αλλά αυτή ήταν η πρώτη φαντασία ενός υπολογιστή που ξεπερνά όλες τις παραδόσεις.

Ποια είναι λοιπόν η μεγάλη διαφορά μεταξύ των σημερινών υπολογιστών και των κβαντικών υπολογιστών; Η άμεση απάντηση είναι η δύναμη επεξεργασίας. Έχει εκτιμηθεί ότι όταν ληφθεί υπόψη η ισχύς επεξεργασίας, ένας σωστά σχεδιασμένος κβαντικός υπολογιστής θα μπορεί να ξεπεράσει οποιονδήποτε σύγχρονο υπολογιστή. Στην πραγματικότητα προβλέπεται ότι οι δυαδικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούμε σήμερα δεν θα μπορούν ποτέ να φτάσουν σε αυτήν την ικανότητα επεξεργασίας. Ας σκάψουμε λοιπόν βαθιά για να δούμε πώς αυτός ο υπολογιστής μπορεί να το αποδώσει πολύ γρήγορα; Η απάντηση βρίσκεται στην κβαντική μηχανική.

Η βασική μονάδα που χρησιμοποιείται στον σημερινό υπολογιστή είναι λίγο (δυαδικό ψηφίο). Ένα bit μπορεί να περιέχει μόνο μία τιμή. 1 ή 0. Αλλά όταν πρόκειται για κβαντικούς υπολογιστές, η βασική μονάδα είναι γνωστή ως "Qubit". Το Qubit ή το κβαντικό bit είναι μια μονάδα κβαντικών πληροφοριών - το κβαντικό ανάλογο του κλασικού bit. Γνωρίζουμε ότι τα κβαντικά στοιχεία μπορούν να υπάρχουν σε περισσότερες από μία καταστάσεις ταυτόχρονα. Το Qubit βρίσκεται στην υπέρθεση «τιμή 1» και «τιμή 0». (Η ύπαρξη σε περισσότερες από μία καταστάσεις ορίζεται ταυτόχρονα ως υπέρθεση.) Αυτή η υπέρθεση είναι ο λόγος που ο κβαντικός υπολογιστής ξεπερνά όλους τους υπολογιστές στο σύγχρονο δυαδικό κόσμο. Αυτό το μικροσκοπικό Qubit μπορεί να περιέχει τόσο το 1 όσο και το 0 μαζί και αυτό αυξάνει τη δύναμη του υπολογισμού με απίστευτο τρόπο.

Πηγή: quantumfrontiers.files.wordpress.com

Ας πάρουμε ένα παράδειγμα. Σε έναν δυαδικό υπολογιστή εάν πάρουμε δύο bits υπάρχουν τέσσερις δυνατότητες 11, 10, 00, 01 ,. Αλλά αυτά τα δύο bits μπορούν να πάρουν μόνο 1 στα 4 σε μια δεδομένη στιγμή. Εάν χρειάζονται και οι τέσσερις καταστάσεις, χρειάζονται 4 λειτουργίες. Αλλά επειδή το Qubit μπορεί να περιέχει 1 και 0 ταυτόχρονα. Και τα τέσσερα κράτη μπορούν να επιτευχθούν ταυτόχρονα. Τέσσερις λειτουργίες θα μειωθούν σε μία. (Αυτό συμβαίνει επειδή τα Qubits μπορούν να περιέχουν και τις δύο τιμές. Δύο Qubits μπορούν να περιέχουν αυτές τις τέσσερις καταστάσεις ταυτόχρονα όταν τα συνηθισμένα bit χρειάζονται μία κατάσταση για κάθε ένα.) Τα υπόλοιπα είναι μαθηματικά. Απλώς πάρτε 3 Qubits, που μπορούν να περιέχουν 8 καταστάσεις ταυτόχρονα. Με 4 Qubits, 16 διαφορετικές τιμές. Είναι πολύ σαφές ότι λόγω του φαινομένου υπέρθεσης των Qubits, ο κβαντικός υπολογιστής θα μπορεί να επεξεργάζεται χιλιάδες φορές πιο γρήγορα από τους συνηθισμένους υπολογιστές.

Ας φτιάξουμε λοιπόν έναν κβαντικό υπολογιστή, τι περιμένουμε;

Το δύσκολο μέρος έρχεται τώρα. Η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή δεν είναι απλή εργασία. Παρόλο που υπάρχουν κάποια επιτυχή αποτελέσματα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αγωνίζονται να βρουν ένα εξελιγμένο μοντέλο. Ο κύριος λόγος των δυσκολιών είναι γνωστό ως ένα άλλο φυσικό φαινόμενο που ονομάζεται «decoherence».

Τι είναι λοιπόν αυτό το decoherence; Πρώτα απ 'όλα, είστε έτοιμοι να ταξιδέψετε στον μυστηριώδη κβαντικό κόσμο για να βρείτε decohernece;

Στην αρχή αναφέρθηκε ότι τα κβαντικά στοιχεία μπορούν να υπάρχουν περισσότερες από μία καταστάσεις ταυτόχρονα και ονομάζεται υπέρθεση. Το Decohernece σημαίνει τα φυσικά φαινόμενα που ένα κβαντικό στοιχείο θα αφήσει άλλες καταστάσεις και θα αρχίσει να παραμένει σε μία κατάσταση. Βασικά αυτός είναι ο χρόνος κατά τον οποίο το στοιχείο σταματά να δείχνει την κβαντική του φύση. Αυτά τα στοιχεία decohernece διέπονται από τη φυσική Newtonion και όχι από την κβαντική μηχανική. Όταν δεν υπάρχει υπέρθεση δεν υπάρχει ακραία ισχύ επεξεργασίας.

Αυτό που είναι το πιο περίεργο είναι ο λόγος για το decohernece. Σύμφωνα με την κβαντική φυσική αν προσπαθήσουμε να μετρήσουμε ένα κβαντικό στοιχείο που θα αποκρυπτογραφηθεί.

Όπως γνωρίζουμε στον τρισδιάστατο χώρο μπορούμε να εντοπίσουμε οποιοδήποτε αντικείμενο με άξονες x, y, z. Με τον ίδιο τρόπο εάν προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε ένα κβαντικό στοιχείο (π.χ.: ένα qubit) μπορεί να εντοπιστεί, αλλά εκείνη τη στιγμή δεν δείχνει την κβαντική φύση. Όταν μετράμε ή καταγράφουμε ένα Qubit, δεν θα είναι πλέον Qubit έως ότου το κυκλοφορήσουμε. Αυτό είναι ένα από τα πιο απίστευτα και υπέροχα φαινόμενα στη φύση που κρατά τα μεγαλύτερα μυαλά του κόσμου απασχολημένα από το 1930. Υπάρχουν μερικά μοντέλα και θεωρίες που εξηγούν αυτό το φαινόμενο, αλλά εξακολουθούν να είναι συζητήσιμα.

Λόγω αυτής της τρομακτικής φύσης του κβαντικού κόσμου, απαιτούνται ειδικά είδη αλγορίθμων για τους κβαντικούς υπολογιστές. Αυτοί οι αλγόριθμοι πρέπει να οριστούν κατά τρόπο ώστε να γίνεται η λειτουργία χωρίς να μετρήσετε τα qubits. Στην πραγματικότητα υπάρχουν τέτοιοι αλγόριθμοι.

Όπως όλοι γνωρίζουμε σήμερα, τα πιο πολυμήχανα πανεπιστήμια του κόσμου όπως το MIT Cambridge και το Max Plank διεξάγουν πολλά πειράματα σε αυτόν τον τομέα. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, «Εάν το μυστήριο της αποκωδικοποίησης επιλυθεί σωστά, η εποχή των φορητών κβαντικών υπολογιστών δεν θα είναι πολύ μακριά».