Saturs
David Wineland ieguva 2012. gada Nobela prēmiju fizikā par savu darbu ieslodzījuma jonos, kas var būt ļoti svarīgi kvantu datoriem. (getty attēli)
Tradicionālo datoru dienas var būt numurētas. Moore likums nosaka, ka transistoru skaits (datora apstrādes informācijas komponenti) komerciāli pieejamā CPU divkāršosies ik pēc diviem gadiem. Sākumā tas izklausās labi, bet, tā kā uzņēmumi cenšas izspiest vairāk un vairāk tranzistorus CPU, rodas problēmas. Pentium ražotās mikroshēmas tagad ir samazinātas līdz 20 atomiem, un, ja šis skaitlis ir samazināts līdz pieciem, būs nopietnas problēmas. Kā teorētiskais fiziķis Michio Kaku saka, "skaitļošanas jauda nevar vienkārši saglabāt eksponenciālo izaugsmi ar standarta silīcija tehnoloģiju." Kaut kas jauns, ir jārodas savā vietā, un tas kaut kas var būt kvantu datori.
Aizliegumi un pārklājumi
Kad jūs nonākat pie atoma līmeņa, sākas jaunu likumu kopums, šie likumi jau sāk radīt problēmas datoru veidotājiem. Lai saprastu kvantu datoru pamatus, jums ir jāsaprot dažas neparastas kvantu mehānikas parādības. Tā ir atoma pasaule; pasaule, kurā jūs diez vai varat pateikt, kur kaut kas ir un kur elektrons vienlaicīgi var rotēt divos virzienos. Vai šķiet, ka tam nav nozīmes? Dators, ko izmantojat, lai izlasītu šo rakstu, ir balstīts uz šiem pašiem kvantu mehānikas likumiem. Citiem vārdiem sakot, pieteikumi ir ļoti reāli.
Divas svarīgākās idejas, kas jums jāsaprot, ir savstarpēja pārklāšanās un pārklāšanās. Elektroniem, kas orbītā atrodas atomu kodolos, ir īpašums, ko sauc par spin, kas nozīmē, ka tie var spin uz augšu vai uz leju. Viņi arī nāk pāri, un tie rotē pretējos virzienos. Bez cieša novērojuma nav iespējams zināt, kādā virzienā viens no pāra elektroniem vērpsies. Interpretācija no kvantu mehānikas viedokļa norāda, ka elektrons atrodas abu spinu virspusē un augšup, līdz mēs to sākam novērot, kas liek tai uzņemties unikālu stāvokli.
Pāri paši par sevi ir savstarpēji saistīti, kas nozīmē, ka, ja cilvēks vērpj augšup, otrs ir uz leju, un otrādi. Vienkārši runājot, ja jums ir divi elektroni vienā pārī, tie abi ir augšup un lejup vērstās deformācijas superpozīcijā, līdz jūs ieraudzīsiet kādu no tiem. Šajā brīdī novērotais elektrons atgriežas stāvoklī (piemēram, uz augšu), un tā salocītais partneris aizņem pretējo stāvokli (uz leju). Einšteins šo notikumu sauca par “biedējošu rīcību no attāluma”. Pārklāšanās un mūsu novērojumu ietekme nav viegli saprotama, bet tās ir būtiskas kvantu skaitļošanai.
Biti un qubits
Parastie datori darbojas uz "bitiem", kas ir "ieslēgti" un "izslēgti" pozīcijas, ko attēlo tie un nulles (binārie skaitļi). Pārklāšanās dēļ kvantu datoru, kas sastāv no kvantu objektiem, piemēram, elektroniem, fotoniem un atomiem, var veidot biti, kas vienlaicīgi uzņem vienu un nulle. Šos jaunos bitus sauc par qubits vai kvantu bitiem. Trīsbitu binārajā sistēmā klasiskais dators jebkurā laika periodā var attēlot jebkuru skaitli no nulles līdz septiņiem. Trīs qubits, kas pārklājas, var vienlaikus attēlot visus iespējamos skaitļus.
Pārklājumi būtībā nozīmē, ka qubits var veikt vairākus aprēķinus vienlaicīgi, nevis veikt vienu reizi, tāpat kā tradicionālajos datoros. Tas nozīmē, ka dators ar 30 qubits būtu ekvivalents parastam datoram, kas strādā desmit teraflops sekundē. Tas ir tikai ātruma apstrādes pasākums, un viss, kas jums jāzina, lai saprastu lielo apstrādes jaudas pieaugumu, ko var dot kvantu datori, ir tas, ka mūsu pašreizējie datori tiek mērīti gigaflops sekundē.
Praktiski izaicinājumi
Kvantu datoru ražošanā ir dažas ierobežojošas praktiskas problēmas, taču tās joprojām ir ražotas lielākos un lielākos izmēros. Problēmas rodas ne tikai kvantu priekšmetu risināšanā, bet arī ar to, ka tās darbojas atšķirīgi, ja tās tiek novērotas. Šī ir diezgan mulsinoša ideja, bet, ja jūs to novērojat, pārklājums sabrūk parastā stāvoklī, tāpēc, ja tiktu novērots, qubit būtībā kļūtu par normālu bitu.Tas ir acīmredzama problēma funkcionālo kvantu datoru radīšanā, jo tikai novērošanas akts tos varētu padarīt parastos datoros.
Tomēr šķērsgriezums piedāvā risinājumu. Daļiņas ir savienotas pārī, un viena novērošana sniedz informāciju par otru pat bez to novērošanas. Izveidojot atomu pāriem, zinātnieki būtībā pārraida informāciju no vienas uz otru, kas ļauj apmainīties ar aprēķiniem nepieciešamo informāciju, pat nepamanot sistēmu tieši un tādējādi nepadarot to parastā datorā. Lai gan interlacing var nodrošināt risinājumu, tas nebūt nav īstenots ievērojamā mērogā. Scott Aaronson no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta saka, ka viņš nav steidzies, jo "vairāk nekā 100 gadu ir pagājuši starp Charles Babbage un tranzistora izgudrojumu, tāpēc es uzskatu, ka, ja mēs varam viņu pārspēt, mēs būsim izdevīgi."