كيف تعمل الكم الكمبيوترات

كمبيوتر الكم هو تصميم الكمبيوتر الذي يستخدم مبادئ فيزياء الكم لزيادة القوة الحسابية بما يتجاوز ما يمكن تحقيقه بواسطة الكمبيوتر التقليدي. تم بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية على نطاق صغير ويستمر العمل في ترقيتها إلى نماذج أكثر عملية.

أجهزة الكمبيوتر تعمل عن طريق تخزين البيانات في عدد ثنائي التنسيق ، والذي ينتج عنه سلسلة من 1s & 0s يتم الاحتفاظ بها في مكونات إلكترونية مثل الترانزستورات. ويسمى كل مكون من ذاكرة الكمبيوتر أ قليلا ويمكن معالجتها من خلال خطوات المنطق المنطقي بحيث تتغير البتات بناءً على الخوارزميات المطبقة بواسطة برنامج الكمبيوتر ، بين وضعي 1 و 0 (يشار إليها أحيانًا باسم "تشغيل" و "إيقاف").

من ناحية أخرى ، يقوم الكمبيوتر الكمومي بتخزين المعلومات إما على شكل 1 أو 0 أو تراكب كمي للحالتين. يسمح مثل هذا "البت الكم" بمرونة أكبر بكثير من النظام الثنائي.

على وجه التحديد ، سيكون الكمبيوتر الكمومي قادرًا على إجراء العمليات الحسابية على نطاق أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية... مفهوم له مخاوف وتطبيقات خطيرة في مجال التشفير والتشفير. يخشى البعض من أن الكمبيوتر الكمي الناجح والعملي من شأنه أن يدمر النظام المالي العالمي من خلال اختراق أمن الكمبيوتر الخاص بهم تشفير ، والتي تستند إلى العوملة أعداد كبيرة لا يمكن اختراقها حرفيا بواسطة أجهزة الكمبيوتر التقليدية خلال عمر كون. الكمبيوتر الكم ، من ناحية أخرى ، يمكن أن عامل الأرقام في فترة زمنية معقولة.

لفهم كيفية تسريع هذا الأمر ، فكر في هذا المثال. إذا كان qubit في تراكب للحالة 1 والحالة 0 ، وأجرى عملية حسابية مع qubit آخر في نفس التراكب ، ثم تحصل عملية حسابية واحدة على 4 نتائج: نتيجة 1/1 ، نتيجة 1/0 ، نتيجة 0/1 ، و 0/0 نتيجة. هذا هو نتيجة للرياضيات المطبقة على نظام الكم عندما تكون في حالة من فك الارتباط ، والتي تستمر في حين أنه في تراكب الحالات حتى ينهار إلى حالة واحدة. وتسمى قدرة الحاسوب الكمومي على إجراء حسابات متعددة في وقت واحد (أو بالتوازي ، من حيث الكمبيوتر) التوازي الكمومي.

الآلية الفيزيائية الدقيقة في العمل داخل الكمبيوتر الكمومي معقدة إلى حد ما من الناحية النظرية ومزعجة بشكل حدسي. بشكل عام ، يتم شرحه من حيث التفسير متعدد العالم لفيزياء الكم ، حيث يقوم الكمبيوتر بإجراء العمليات الحسابية ليس فقط في عالمنا ولكن أيضًا في آخر الأكوان في وقت واحد ، في حين أن مختلف البتات في حالة فك الارتباط الكم. في حين أن هذا يبدو بعيد المنال ، فقد ثبت أن التفسير متعدد العالم يقدم تنبؤات تطابق النتائج التجريبية.

تميل الحوسبة الكمومية إلى تتبع جذورها مرة أخرى إلى خطاب عام 1959 ريتشارد ب. فاينمان تحدث فيها عن آثار التصغير ، بما في ذلك فكرة استغلال الآثار الكمومية لإنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة. هذا الخطاب يعتبر عموما نقطة الانطلاق تقنية النانو.

بالطبع ، قبل أن تتحقق الآثار الكمومية للحوسبة ، كان على العلماء والمهندسين تطوير تكنولوجيا الحواسيب التقليدية بشكل كامل. هذا هو السبب ، على مدى سنوات عديدة ، كان هناك تقدم مباشر ضئيل ، ولا حتى اهتمام ، بفكرة تحويل اقتراحات فاينمان إلى حقيقة واقعة.

في عام 1985 ، طرح ديفيد دويتش من جامعة أكسفورد فكرة "البوابات المنطقية الكمومية" كوسيلة لتسخير عالم الكم داخل جهاز كمبيوتر. في الواقع ، أظهرت ورقة دويتش حول هذا الموضوع أن أي عملية فعلية يمكن أن تكون على غرار جهاز كمبيوتر الكم.

بعد ما يقرب من عقد من الزمان ، في عام 1994 ، ابتكر بيتر شور من AT&T خوارزمية يمكن أن تستخدم 6 بت فقط لأداء بعض العوامل الأساسية... أكثر ذراعا وكلما زادت تعقيد الأرقام التي تتطلب عامل ، بطبيعة الحال.

تم بناء حفنة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الأول ، وهو جهاز كمبيوتر بحجم 2 كيلو بايت في عام 1998 ، يمكن إجراء حسابات تافهة قبل أن يفقد decoherence بعد بضع نانوثانية. في عام 2000 ، نجحت الفرق في بناء كل من أجهزة الكمبيوتر الكوميتية 4 و 7bit. لا تزال الأبحاث حول هذا الموضوع نشطة للغاية ، على الرغم من أن بعض علماء الفيزياء والمهندسين يعربون عن قلقهم بشأن الصعوبات التي ينطوي عليها الارتقاء بهذه التجارب إلى أنظمة الحوسبة واسعة النطاق. ومع ذلك ، فإن نجاح هذه الخطوات الأولية يدل على أن النظرية الأساسية سليمة.

العيب الرئيسي للكمبيوتر الكمومي هو نفسه قوته: فك الارتباط الكمومي. يتم إجراء حسابات qubit بينما تكون وظيفة الموجة الكمومية في حالة تراكب بين الحالات ، وهو ما يسمح لها بإجراء العمليات الحسابية باستخدام كلتا الدولتين 1 و 0 الوقت ذاته.

ومع ذلك ، عندما يتم إجراء قياس من أي نوع على نظام الكم ، ينهار فك التماسك وتنهار وظيفة الموجة في حالة واحدة. لذلك ، يجب على الكمبيوتر الاستمرار في إجراء هذه الحسابات بطريقة أو بأخرى دون إجراء أي قياسات حتى الوقت المناسب ومتى يمكن بعد ذلك الخروج من الحالة الكمية ، وإجراء قياس لقراءة نتيجتها ، والتي يتم تمريرها بعد ذلك إلى بقية النظام.

المتطلبات المادية لمعالجة نظام على هذا النطاق كبيرة ، ولمس عوالم الموصلات الفائقة ، وتكنولوجيا النانو ، والالكترونيات الكم ، وكذلك غيرها. كل واحد من هذه المجالات هو في حد ذاته مجال متطور لا يزال قيد التطوير بالكامل ، لذا يحاول الدمج كلهم معًا في كمبيوتر الكم الوظيفي هي مهمة لا أحسدها بشكل خاص أي واحد... باستثناء الشخص الذي ينجح في النهاية.