این همان چیزی است که باعث می شود رایانه های کوانتومی حل کننده مشکل قدرتمند باشند

در یک مقاله قبلی ، من منبع باز نرم افزار محاسبات کوانتومی را توسط DWAVE معرفی کردم. DWAVE سازنده یک رایانه کوانتومی است که توسط تعدادی از گروه ها از جمله ناسا و گوگل مورد استفاده و مورد مطالعه قرار می گیرد و رایانه های کوانتومی دیگری نیز در این کارها نیز وجود دارد. اگرچه این زمینه هنوز جوان است ، اما پیشرفت های اخیر در حال ایجاد عناوین بوده است.

اگر بتوانیم رایانه های کوانتومی عملی بسازیم ، آنها بسیار قدرتمند خواهند بود - اما برای دیدن اینکه چرا نیاز به درک آنچه باعث متفاوت شدن آنها می شود ، می شود. در این مقاله ، من فیزیک اساسی را توضیح می دهم که محاسبات کوانتومی را امکان پذیر می کند.

رایانه های کوانتومی فقط یک مدل جدید و سریعتر از رایانه در مقابل شما نیستند. آنها مبتنی بر یک روش کاملاً متفاوت برای ذخیره اطلاعات و تصمیم گیری هستند. این مانند مقایسه یک توربین جت با یک پروانه است: آنها به همان هدف می رسند ، اما پیچیدگی و قدرت بسیار نامتناسب است.

کمی در مورد رایانه های سنتی

بیایید با یادآوری خودمان چگونه رایانه های دیجیتال کار می کنند.

ماده اصلی رقم باینری یا بیت است که ممکن است فقط مقادیر 0 یا 1 را به خود اختصاص دهد. در رایانه های مدرن ، بیت ها به شکل سوئیچ های الکتریکی ریز به نام ترانزیستورها می گیرند. ترانزیستورها در یکی از دو ایالت قرار دارند. هنگامی که آنها روشن می شوند ، جریان الکتریکی را انجام می دهند. این حالت "1" است. هنگام خاموش شدن ، آنها جریان را انجام نمی دهند. این حالت "0" است.

در یک تراشه رایانه فیزیکی ، ممکن است یک سری ترانزیستور را در حالت های زیر بیابیم: روشن ، روشن ، خاموش. به صورت باینری ، زبان ریاضی محاسبات ، این سریال 1101 می شود.

به نظر می رسد این یک روش ناکافی خام برای برقراری ارتباط با اطلاعات است-چگونه می توانیم ملیله های غنی جهان را با استفاده از این قالب سیاه و سفید منتقل کنیم؟اولین قدم تشخیص اینکه بیت ها می توانند تعداد آنها را در سیستم شمارش سنتی ما نشان دهند. به عنوان مثال ، 1101 نشان دهنده شماره 13 و 0110 نشان دهنده شماره 6 است.

در حقیقت ، این تنها راه هایی است که می توانیم با استفاده از بیت ها 13 و 6 را نمایندگی کنیم ، یک فرهنگ لغت ترجمه منحصر به فرد بین رشته های بیت و اعداد عادی ایجاد کنیم. به این ترتیب ، ما می توانیم با جمع کردن بیت ها ، تعداد خودسرانه زیادی را جمع کنیم. MacBook Pro از یک پردازنده 64 بیتی برای بیان هر شماره تا 18،446،744،073،709،551،615 استفاده می کند.

(برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه کار باینری ، این ویدیو را بررسی کنید.)

اما اگر رایانه ها فقط می توانند شماره ها را ذخیره کنند ، ما آنها را بسیار مفید نمی دانیم. دلیل تبدیل شدن رایانه ها در همه جا این است که ما می توانیم از این اعداد استفاده کنیم تا موارد دیگری را نشان دهیم.

سایه های خاکستری را بگیرید: به سادگی بین سیاه خالص (0) و سفید خالص (255 ، طبق کنوانسیون). رنگ ها را می توان به مؤلفه های قرمز ، سبز و آبی تجزیه کرد که هر یک از آنها ارزش خود را تا 255 درج می کنند. همون روش.

رایانه های مدرن از میلیاردها ترانزیستور و چندین سطح کد برای تولید برنامه های ویدئویی با کیفیت بالا و پیچیده استفاده می کنند ، اما به اندازه کافی از نزدیک نگاه کنید و دنیای دیجیتال به یک سری ساده از بیت ها کاهش می یابد.

چگونه رایانه های کوانتومی متفاوت هستند

ما فقط باید به جیب خود نگاه کنیم تا ببینیم رایانه های سنتی قدرتمند هستند. اما برخی از مشکلات برای حل آنها مناسب نیست. این جایی است که رایانه های کوانتومی وارد می شوند. یک رایانه کوانتومی می تواند مجموعه خاصی از مشکلات را که بسیاری از بزرگی سفارش سریعتر از رایانه های سنتی را حل می کند ، حل کند.

چه چیزی رایانه های کوانتومی را خیلی سریعتر می کند؟آنها می توانند محاسبات زیادی را به یکباره انجام دهند.

بلوک های ساختمانی رایانه های کوانتومی بیت و ترانزیستور نیستند. آنها Qubits و اجزای فیزیکی آنقدر کوچک هستند که طبق قوانین فیزیک کوانتومی کار می کنند. "

این امر امکان پذیر است زیرا بلوک های ساختمانی رایانه های کوانتومی بیت و ترانزیستور نیستند. آنها Qubits و اجزای فیزیکی آنقدر کوچک هستند که طبق قوانین فیزیک کوانتومی کار می کنند. این مؤلفه ها به معنای واقعی کلمه ممکن است ذرات ابتدایی مانند الکترون ها باشند که در میدان های مغناطیسی به حالت تعلیق در می آیند.

این جایی است که عجیب و غریب فیزیک کوانتومی بازی می شود. توضیحات استاندارد کوتاه می گوید بیت های سنتی می توانند 1 یا 0 باشند ، در حالی که طبق قوانین فیزیک کوانتومی ، Qubits می تواند 1 ، 0 یا هر دو به طور همزمان باشد.

این همان چیزی است که واقعاً یک کوانتومی رایانه ای کوانتومی ایجاد می کند. اما بیایید به معنای این بدان معنی باشیم که کمی بیشتر است.

بیایید یک پیاده روی کوانتومی بگیریم

برای روشن شدن ، رایانه های کوانتومی حالت های گسسته تری نسبت به یک رایانه سنتی ارائه نمی دهند - ایالت ها هنوز 1 و 0 هستند - اما تا پایان محاسبه دیگر یک انتخاب منحصر به فرد بین این حالت ها وجود ندارد. این ممکن است متناقض به نظر برسد - چگونه می تواند چیزی 1 و 0 همزمان باشد؟و حتی اگر چنین باشد ، چرا در پایان انتخاب مورد نیاز است؟

برای درک بهتر این که چگونه این امکان پذیر است ، تصور کنید که با یک قطب نما مغناطیسی پیاده روی کنید.

در طول روز که به عنوان دلخواه خود حرکت می کنید و زمین دیکته می کند ، به قطب نما خود نگاه می کنید و توجه می کنید که جهت شما تغییر می کند. ممکن است قبل از نزدیک شدن به شمال غربی ، پیاده روی به سمت شرق ، سپس به سمت شمال بپیچید ، به سمت جنوب بچرخید تا به سمت جنوب بروید. اما در پایان هر روز ، شما فقط ضبط می کنید که آیا اردوگاه شما در آن روز صبح شمال یا جنوب نقطه عزیمت شما است.

یک نمونه نمونه ممکن است بخواند "روز اول: شمال. روز 2: شمال. روز سوم: جنوب. روز چهارم: شمال. "

این پاسخ دو گزینه ای به مسیر دقیق تر شما اعتقاد دارد که شامل تمام مسیرهای دیگر در دسترس قطب نما است. شمال نماینده "1" است و South نمایانگر "0" است ، اما البته بسیاری از گزینه های "میانی" دیگر نیز وجود دارد که می توان بیان کرد. این شبیه به یک محاسبه کوانتومی است. در طول محاسبه ، یک quit ممکن است هر مقدار را به خود اختصاص دهد ، اما در پاسخ نهایی فقط 1 یا 0 وارد شده است.

بنابراین ، حالت اولیه Quit - پیشانی پیاده روی - مشکلی است که سعی در حل آن به صورت باینری دارد. وضعیت نهایی Quit - اردوگاه یا مقصد - بخشی از راه حل آن است که به صورت باینری نیز نوشته شده است. و به طور ساده ، ما می توانیم از حالت موقت Quit به عنوان ترکیبی از 1 و 0 فکر کنیم ، دقیقاً همانطور که سایر مسیرهایی که در طول پیاده روی خود حرکت کردید ، ترکیبی از شمال و جنوب بود.

پیاده روی روز در اطراف باتلاق ها ، بین تپه ها ، و از طریق جنگل ها محاسبه کوانتومی است - یک مسیر مدار که به کاوش در محلول تنظیم شده با یک زیگ شمال شرقی ، یک غرب به غرب و غیره می پردازد. با این حال ، سرانجام ، هر quit در یک حالت باینری قرار می گیرد و ما به مقصد خود می رسیم.

سرعت نمایی

در طی یک محاسبه ، یک quit با اشاره به جهت شرقی به سادگی از 50 درصد شمال ، 50 درصد جنوب وزن نمی شود - به طور خاص به یاد می آورد که این یک جهت شرقی بود. این حفظ جهت انسجام نامیده می شود و مهمترین ویژگی برای رایانه های کوانتومی است.

انسجام خاصیت یک quit برای تجربه طیف گسترده ای از مقادیر و برای Qubits برای به اشتراک گذاشتن این مقادیر با یکدیگر است. چهار قضیه منسجم می توانند دارای ارزش هایی مانند "شرق ، شمال غربی ، جنوب شرقی ، غرب" باشند ، در حالی که قاب های ناهماهنگ فقط دارای ارزش های "شمال ، شمال ، جنوب ، شمال" هستند. علاوه بر این ، هر یک از ارزشهای آنها بر ارزشهای Qubits همکار خود تأثیر می گذارد.

از آنجا که Qubits به اشتراک گذاشتن حالت های مختلط سرعت محاسبه را افزایش می دهد - به این ترتیب آنها چگونه چندین محاسبات را انجام می دهند - کاملاً ضروری است که Quit انسجام را در طول محاسبه حفظ کند. در غیر این صورت ، ما فقط از یک رایانه دیجیتال ساده و آهسته استفاده می کنیم که فقط یک محاسبه را انجام می دهد.

بنابراین یک کامپیوتر کوانتومی منسجم هم به طور همزمان 0 و 1 را در نظر می گیرد و محاسبه ای را برای شمال و همچنین جنوب انجام می دهد ، اما وزن آن را به روشی که باعث حفظ جهت قطب نما می شود ، وزن می کند. از نظر ریاضی ، این کار را می توان با استفاده از اعداد خیالی انجام داد ، به این معنی که ما نیازی به در نظر گرفتن شرق به عنوان یک جهت منحصر به فرد از شمال یا جنوب نیستیم بلکه فقط به عنوان ترکیبی عجیب از آنها هستیم.

افزایش زمان انسجام یک مانع اساسی در ساخت رایانه های کوانتومی قابل استفاده تجاری بوده است. محاسبات حداقل به حدود 100 نانو ثانیه نیاز دارند و ما اکنون حدود 175 نانو ثانیه به دست آورده ایم. همانطور که در مقاله آخر من ذکر شد ، این امر باید با بهبود نرم افزار بهبود یابد - هرچه بیشتر با یک کامپیوتر کوانتومی انجام دهید ، منابع بیشتری به این زمینه می ریزند.

نتیجه همه اینها؟رایانه های کوانتومی افزایش گسترده ای در قدرت محاسبات ارائه می دهند. یک Quit واحد ممکن است همزمان دو محاسبه را انجام دهد ، دو Qubits ممکن است چهار ، سه Qubits هشت و غیره را انجام دهد و سرعت در حال افزایش به صورت تصاعدی ایجاد کند. فقط سی وبیت می تواند همزمان بیش از یک میلیارد محاسبات را انجام دهد.

با هدف مشکلات مناسب و با نرم افزار مناسب ، ظهور رایانه های کوانتومی ممکن است لحظه ای بسیار مهم در تاریخ محاسبه باشد.