قفسه کتاب NCBI. خدمات کتابخانه ملی پزشکی ، انستیتوی ملی بهداشت.

آکادمی ملی مهندسی. مرزهای مهندسی: گزارش هایی در مورد مهندسی پیشرو از سمپوزیوم 2018. واشنگتن (دی سی): انتشارات آکادمی ملی (ایالات متحده) ؛2019 28 ژانویه.

مرزهای مهندسی: گزارش هایی در مورد مهندسی پیشرو از سمپوزیوم 2018.

محاسبات کوانتومی: این چیست ، چرا ما آن را می خواهیم و چگونه می خواهیم آن را بدست آوریم

نویسندگان

وابستگی

مکانیک کوانتومی در اوایل دهه 1900 به عنوان شاخه ای از فیزیک ظاهر شد تا طبیعت را در مقیاس اتم ها توضیح دهد و منجر به پیشرفت هایی مانند ترانزیستورها ، لیزرها و تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی شد. ایده ادغام مکانیک کوانتومی و نظریه اطلاعات در دهه 1970 به وجود آمد اما تا سال 1982 توجه کمی به خود جلب کرد ، هنگامی که فیزیکدان ریچارد فاینمن صحبت کرد که در آن استدلال می کرد که محاسبات بر اساس منطق کلاسیک نمی تواند محاسبات را توصیف کند که توصیف فنومنا کوانتومی را توصیف می کند. محاسبات مبتنی بر پدیده های کوانتومی پیکربندی شده برای شبیه سازی سایر پدیده های کوانتومی ، با این حال ، در معرض همان تنگناها قرار نمی گیرند. اگرچه این برنامه سرانجام به عنوان شبیه سازی کوانتومی تبدیل شد ، اما در آن زمان فعالیت تحقیقاتی زیادی ایجاد نکرد.

با این حال ، در سال 1994 ، هنگامی که ریاضیدان پیتر شر یک الگوریتم کوانتومی ایجاد کرد ، علاقه به محاسبات کوانتومی به طرز چشمگیری افزایش یافت ، که می تواند عوامل اصلی تعداد زیادی را به طور کارآمد پیدا کند. در اینجا ، "کارآمد" به معنای در زمان اهمیت عملی است که فراتر از توانایی الگوریتم های کلاسیک پیشرفته است. اگرچه این ممکن است به سادگی مانند یک عجیب به نظر برسد ، اما بیش از حد اهمیت بینش Shor غیرممکن است. امنیت تقریباً در هر معامله آنلاین امروز به یک رمزنگاری RSA متکی است که به عدم تحمل مشکل فاکتورسازی به الگوریتم های کلاسیک وابسته است.

محاسبات کوانتومی چیست؟

رایانه های کوانتومی و کلاسیک هر دو سعی در حل مشکلات دارند ، اما نحوه دستکاری داده ها برای دریافت پاسخ اساساً متفاوت است. در این بخش توضیحی در مورد آنچه که رایانه های کوانتومی با معرفی دو اصل مکانیک کوانتومی برای عملکرد ، ابرند و درگیری آنها بسیار مهم است ، ارائه می دهد.

فرضیه ضد انعطاف پذیری یک شیء کوانتومی ، مانند یک الکترون ، به طور همزمان در چندین حالت وجود دارد. با داشتن یک الکترون ، یکی از این حالت ها ممکن است کمترین سطح انرژی در یک اتم باشد در حالی که دیگری ممکن است اولین سطح هیجان زده باشد. اگر یک الکترون در یک ترکیب این دو حالت تهیه شود ، احتمال دارد در حالت پایین و احتمال وجود در قسمت فوقانی باشد. اندازه گیری این ابر را از بین می برد و تنها در این صورت می توان گفت که در حالت پایین یا بالا قرار دارد.

شناخت Supposition امکان درک مؤلفه اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی ، Quit را فراهم می کند. در محاسبات کلاسیک ، بیت ها ترانزیستورهایی هستند که می توانند خاموش یا روشن باشند ، مطابق با حالت های 0 و 1. Qubits از بیت های کلاسیک ، که همیشه باید در حالت 0 یا 1 باشد ، با توانایی آنها در مواردی با احتمالات مختلف که می توانند توسط عملیات کوانتومی در طی محاسبات دستکاری شوند ، متمایز می شوند.

درگیری پدیده ای است که در آن نهادهای کوانتومی ایجاد می شوند و/یا دستکاری می شوند به گونه ای که هیچ یک از آنها بدون مراجعه به دیگران قابل توصیف نیست. هویت های فردی از بین می رود. این مفهوم هنگامی که فرد در نظر می گیرد چگونه می تواند در مسافت های طولانی ادامه یابد ، مفهوم سازی بسیار دشوار است. اندازه گیری روی یکی از اعضای یک جفت درگیر بلافاصله اندازه گیری های شریک زندگی خود را تعیین می کند ، و به نظر می رسد که اطلاعات می توانند سریعتر از سرعت نور سفر کنند. این عمل ظاهری از راه دور چنان نگران کننده بود که حتی انیشتین آن را "شبح وار" لقب داد (متولد 1971 ، ص 158).

مطبوعات محبوب غالباً می نویسند که رایانه های کوانتومی با امتحان کردن هر پاسخ احتمالی به یک مشکل به طور موازی ، سرعت خود را به دست می آورند. در واقعیت ، یک رایانه کوانتومی درگیری بین Qubits و احتمالات مرتبط با مواد غذایی برای انجام یک سری عملیات (یک الگوریتم کوانتومی) به گونه ای که احتمال خاصی افزایش یافته است (یعنی پاسخ های مناسب) و دیگران افسرده ، حتی به صفر (یعنی پاسخ های اشتباه). هنگامی که یک اندازه گیری در پایان محاسبات انجام می شود ، باید احتمال اندازه گیری پاسخ صحیح به حداکثر برسد. روشی که رایانه های کوانتومی از احتمالات و درهم آمیختگی استفاده می کنند ، چیزی است که باعث می شود آنها از رایانه های کلاسیک بسیار متفاوت باشند.

چرا ما آن را می خواهیم؟

نوید توسعه یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی پیشرفته برای اجرای الگوریتم SHOR برای تعداد زیاد ، یک انگیزه اصلی برای پیشبرد زمینه محاسبات کوانتومی بوده است. با این حال ، برای توسعه یک دید گسترده تر از رایانه های کوانتومی ، درک این نکته مهم است که آنها احتمالاً فقط برای انواع خاصی از مشکلات ، سرعت فوق العاده ای را ارائه می دهند. محققان در تلاشند تا بدانند که کدام مشکلات برای سرعت کوانتومی مناسب است و الگوریتم هایی را برای نشان دادن آنها ایجاد می کند. به طور کلی ، اعتقاد بر این است که رایانه های کوانتومی با مشکلات مربوط به بهینه سازی ، که در همه چیز از دفاع تا تجارت مالی نقش کلیدی دارند ، به شدت کمک می کنند.

چندین برنامه اضافی برای سیستم های Quit که مربوط به محاسبات یا شبیه سازی نیستند نیز وجود دارند و زمینه های فعال تحقیق هستند ، اما آنها فراتر از محدوده این نمای کلی هستند. دو مورد از برجسته ترین مناطق (1) سنجش کوانتومی و اندازه گیری است که از حساسیت شدید qubits به محیط استفاده می کنند تا سنجش را فراتر از حد نویز شات کلاسیک و (2) شبکه ها و ارتباطات کوانتومی ، که ممکن است منجر به راه های انقلابی شود ، تحقق بخشد. برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات

چگونه سعی می کنیم آن را بدست آوریم؟

ساخت رایانه های کوانتومی فوق العاده دشوار است. بسیاری از سیستم های Quit نامزد در مقیاس اتم های منفرد وجود دارند ، و فیزیکدانان ، مهندسان و دانشمندان مواد که در تلاش برای اجرای عملیات کوانتومی در این سیستم ها هستند ، دائماً با دو الزام رقیب مقابله می کنند. اول ، Qubits باید از محیط محافظت شود زیرا می تواند حالت های کوانتومی ظریف مورد نیاز برای محاسبه را از بین ببرد. هرچه یک quit در حالت دلخواه خود زنده بماند ، "زمان انسجام" آن طولانی تر است. از این منظر ، انزوا با ارزش است. دوم ، با این حال ، برای اجرای الگوریتم ، قضیه ها باید درگیر شوند ، در اطراف معماری های فیزیکی جابجا شوند و در صورت تقاضا قابل کنترل باشند. هرچه این عملیات بهتر انجام شود ، "وفاداری" آنها بیشتر است. متعادل کردن انزوا و تعامل مورد نیاز دشوار است ، اما پس از چندین دهه تحقیق ، چند سیستم به عنوان کاندیداهای برتر برای پردازش اطلاعات کوانتومی در مقیاس بزرگ ظاهر می شوند.

سیستم های ابررسانا ، یونهای اتمی به دام افتاده و نیمه هادی ها برخی از سیستم عامل های پیشرو برای ساخت یک رایانه کوانتومی هستند. هر کدام دارای مزایا و مضرات مربوط به انسجام ، وفاداری و مقیاس پذیری نهایی در سیستم های بزرگ هستند. با این حال ، مشخص است که همه این سیستم عامل ها به نوعی پروتکل تصحیح خطا نیاز دارند تا به اندازه کافی قوی باشند تا محاسبات معنی دار را انجام دهند ، و نحوه طراحی و اجرای این پروتکل ها خود زمینه بزرگی از تحقیقات است. برای مرور کلی از محاسبات کوانتومی ، با جزئیات بیشتر در مورد اجرای آزمایشی ، به لاد و همکاران مراجعه کنید.(2010).

در این مقاله ، "محاسبات کوانتومی" تاکنون به عنوان یک اصطلاح پتو مورد استفاده قرار گرفته است که تمام محاسبات را که از پدیده های کوانتومی استفاده می کنند ، توصیف می کند. در واقع انواع مختلفی از چارچوب های عملیاتی وجود دارد. محاسبات کوانتومی مبتنی بر دروازه منطقی ، احتمالاً بهترین شناخته شده است. در آن ، Qubits در حالت های اولیه تهیه شده و سپس تحت یک سری "عملیات دروازه" مانند پالس های فعلی یا لیزر بسته به نوع Quit قرار دارد. از طریق این دروازه ها ، Qubits در مواردی قرار می گیرند ، درگیر شده و تحت عملیات منطقی مانند و ، یا ، و نه دروازه های محاسبات سنتی قرار می گیرند. سپس Qubits اندازه گیری می شود و نتیجه ای به دست می آید.

چارچوب دیگر محاسبات مبتنی بر اندازه گیری است که در آن Qubits بسیار درگیر به عنوان نقطه شروع عمل می کند. سپس ، به جای انجام عملیات دستکاری در Qubits ، اندازه گیری های تک quit انجام می شود ، و یک quit یک هدف هدفمند را در حالت قطعی قرار می دهد. بر اساس نتیجه ، اندازه گیری های بیشتر در سایر Qubits انجام می شود و در نهایت به پاسخ می رسد.

چارچوب سوم محاسبات توپولوژیکی است که در آن Qubits و عملیات بر اساس شبه های ذرات و عملیات بافته شده آنها انجام می شود. در حالی که هنوز پیاده سازی های نوپا از مؤلفه های رایانه های کوانتومی توپولوژیکی هنوز نشان داده نشده است ، این رویکرد جذاب است زیرا این سیستم ها از نظر تئوری در برابر سر و صدا محافظت می شوند ، که باعث از بین رفتن انسجام سایر زبانه ها می شود.

سرانجام ، رایانه های کوانتومی آنالوگ یا شبیه سازهای کوانتومی پیش بینی شده توسط فاینمن وجود دارد. شبیه سازهای کوانتومی را می توان به عنوان رایانه های کوانتومی با هدف خاص تصور کرد که می توانند برای مدل سازی سیستم های کوانتومی برنامه ریزی شوند. با استفاده از این توانایی می توانند سؤالاتی از قبیل نحوه عملکرد ابررساناهای درجه حرارت بالا ، یا نحوه واکنش برخی مواد شیمیایی خاص ، یا نحوه طراحی مواد با خاصیت خاص را هدف قرار دهند.

نتیجه گیری و چشم انداز

رایانه های کوانتومی با ایجاد انواع خاصی از مشکلات کلاسیک غیرقابل تحمل ، می توانند محاسبه را متحول کنند. در حالی که هیچ رایانه ای کوانتومی هنوز به اندازه کافی پیچیده نیست تا محاسباتی را انجام دهد که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند ، پیشرفت بزرگی در دست است. در حال حاضر چند شرکت بزرگ و راه اندازی های کوچک دارای رایانه های کوانتومی غیر تصحیح شده از چندین ده دهانه هستند و برخی از این موارد حتی از طریق ابر نیز در دسترس عموم هستند. علاوه بر این ، شبیه سازهای کوانتومی در مزارع مختلف از انرژی مولکولی گرفته تا فیزیک بسیاری از بدن اقدام می کنند.

از آنجا که سیستم های کوچک به صورت آنلاین می آیند ، زمینه ای با محوریت برنامه های نزدیک به مدت رایانه های کوانتومی شروع به درگیری می کند. این پیشرفت ممکن است باعث شود برخی از مزایا و بینش های محاسبات کوانتومی مدتها قبل از تلاش برای یک کامپیوتر کوانتومی اصلاح شده در مقیاس بزرگ ، تکمیل شود.

منابع

FEYNMAN RP. شبیه سازی فیزیک با رایانه. مجله بین المللی فیزیک نظری. 1982 ؛21 (6-7): 467-488.

Ladd TD ، Jelezko F ، Laflamme R ، Nakamura Y ، Monroe C ، O'Brien JL. رایانه های کوانتومی. طبیعت2010 ؛464 (7285): 45-53.[PubMed: 20203602]