อธิบายการคำนวณควอนตัม (เช่นคุณอายุ 5 ขวบ)

แนวคิดของ "Quantum Computing" เพิ่งจะกลายเป็นไวรัส - ขอบคุณนายกรัฐมนตรีคนหนึ่ง - คือ หนึ่งในดินแดนที่ยังไม่จดที่แผนที่หลายแห่งของพวกเราที่ไม่ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์.

เหตุผลที่พวกเราส่วนใหญ่ยังไม่เคยได้ยินมาก่อนถึงแม้ว่ามันจะมีมานานหลายสิบปีนั่นก็คือส่วนใหญ่ มันเป็นทฤษฎี และผู้ที่ทดลองใช้ในตอนแรก เงียบมาก เกี่ยวกับมันเนื่องจาก ความต้องการความลับทางการทหารและองค์กร.

อย่างไรก็ตามตอนนี้เรารู้แล้วว่ามีกลศาสตร์ควอนตัมและการรวมคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกันและทันใดนั้นสิ่งนี้อยู่ในขอบเขตความสนใจของทุกคน หากคุณไม่ทราบว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบไหน แต่ไม่อยากถูกปล่อยให้อ่านเพื่อค้นหาสาเหตุที่ดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบเดิมที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน.

คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมและบิต

คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่เป็นดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส์และจะ โต้ตอบกับข้อมูลที่แสดงเป็นเลขฐานสอง รู้จักกันในชื่อ bits (0's และ 1's) ไม่ว่าจะเป็นรูปภาพ, ข้อความ, เสียงหรือข้อมูลอื่น ๆ - ทั้งหมดเก็บไว้ในบิต.

ทางกายภาพเลขฐานสอง 0 และ 1 สามารถ แสดงโดยใช้เอนทิตีสองรัฐใด ๆ เช่นเหรียญ (หัวและหาง) หรือสวิตช์ (หรือปิด) ในคอมพิวเตอร์บิตคือ มีหรือไม่มีแรงดันไฟฟ้า (1 หรือ 0) หรือ การเปลี่ยนแปลงหรือรักษาทิศทางแม่เหล็ก ในฮาร์ดดิสก์แม่เหล็ก.

ข้อมูลถูกจัดการโดยการคำนวณบิตที่เก็บไว้. การคำนวณทำโดยลอจิกเกตซึ่งโดยทั่วไปจะประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ที่ควบคุมการส่งสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ถ้ามันยอมให้สัญญาณผ่านมันเป็นบิต 1 และถ้าสัญญาณถูกตัดมันก็คือ 0.

ข้อ จำกัด ของทรานซิสเตอร์

ด้วยขนาดชิปที่ลดขนาดลงเรื่อย ๆ และส่วนประกอบที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถมาพร้อมกับทรานซิสเตอร์นับล้านตัวที่เล็กเพียง 7nm (ซึ่งเล็กกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดง 1,000 เท่าและใหญ่กว่าอะตอม 20 เท่า).

ขนาดของทรานซิสเตอร์สามารถหดตัวต่อไปได้ แต่ในที่สุดพวกมันจะถึงขีด จำกัด ทางกายภาพซึ่งอิเล็กตรอนจะผ่านเข้าไปในอุโมงค์และ จะไม่มีการควบคุมการไหลของสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์.

สำหรับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของการคำนวณที่มีประสิทธิภาพและอุปกรณ์ขนาดเล็ก, การ จำกัด ขนาดของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐานคือการจำกัดความคืบหน้า. นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีการใหม่ ๆ ใช้เวลาและพื้นที่ในการคำนวณและจัดเก็บข้อมูลน้อยลง, และวิธีหนึ่งที่เราสามารถใช้ได้คือการคำนวณควอนตัม.

Qubits การทับซ้อนและการพัวพัน

การคำนวณควอนตัมใช้ qubits แทนบิตเพื่อแสดงข้อมูล Qubits แสดงโดยใช้อนุภาคควอนตัมเช่น อิเล็กตรอน และ โฟตอน.

อนุภาคควอนตัมมีคุณสมบัติเช่นสปินและโพลาไรซ์ซึ่งสามารถใช้เพื่อแสดงข้อมูล ตัวอย่างเช่น qubit ที่หมุนขึ้นด้านบนสามารถเป็น 1 และลดลง 0.

แต่พลังของการคำนวณควอนตัมมาจากความจริงที่ว่าไม่เหมือนกับบิตซึ่งเป็น 1 หรือ 0, qubits สามารถเป็น 1 และ 0 พร้อมกัน, เนื่องจากคุณสมบัติที่เรียกว่า การทับซ้อน, ที่อนุภาคควอนตัม อยู่ในหลายรัฐ ในเวลาเดียวกัน.

สิ่งนี้จะเพิ่มพลังการคำนวณของ qubit เนื่องจากสามารถใช้สำหรับทั้ง 1 และ 0 ในระหว่างการคำนวณและในตอนท้ายครั้งเดียว วัด, มันจะกลายเป็น 1 หรือ 0.

คุณสมบัติการซ้อนทับสามารถอธิบายได้อย่างง่ายดายโดยการทดลองทางความคิดที่มีชื่อเสียงที่ทำบนแมวในจินตนาการโดยSchrödingerนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย.

ในโลกควอนตัมยังมีอีกคุณสมบัติหนึ่งที่สามารถถูกใช้ในการคำนวณ ควอนตัมพัวพัน. โดยทั่วไปหมายถึง คุณสมบัติของอนุภาคควอนตัมที่พันเข้าด้วยกัน และ กลายเป็นพึ่งพากัน และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงแยกกันได้.

พวกเขาทำตัวเหมือน ระบบเดียวที่มีสถานะโดยรวม.

สมมติว่า 2 qubits ผ่านการพัวพันหากหนึ่งในสถานะของ qubit เปลี่ยนไปอีกอันหนึ่งก็จะเปลี่ยนเช่นกัน สิ่งนี้นำไปสู่การประมวลผลแบบขนานจริงหรือการคำนวณที่สามารถลดเวลาการคำนวณได้อย่างมากเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม.

ความยากลำบากและการใช้งาน

มีสิ่งกีดขวางทางปฏิบัติมากมายที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องเอาชนะให้ได้ สร้างสภาพแวดล้อมที่ควบคุมสำหรับ qubits และ การหาวิธีในการจัดการคุณสมบัติของพวกเขา, เพื่อสร้างผลลัพธ์ที่ต้องการ.

แต่เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีกำลังการคำนวณสูงถูกสร้างขึ้นในที่สุดพวกเขาก็สามารถใช้ในการแก้ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้ ใช้เวลานานมาก โดยคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม.

การค้นหาปัจจัยสำคัญของคนจำนวนมากปัญหาพนักงานขายเดินทางสำหรับเมืองใหญ่และปัญหาอื่นที่คล้ายคลึงกัน จำเป็นต้องมีการเปรียบเทียบจำนวนมากเพื่อให้ได้ผลลัพธ์s นอกจากนี้การค้นหาผ่านฐานข้อมูลขนาดมหึมายังคงเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานมากสำหรับแม้แต่คอมพิวเตอร์ดิจิทัลในปัจจุบัน.

ปัญหาเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งสามารถแก้ปัญหาที่ต้องใช้เวลาหลายศตวรรษในคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมในเวลาไม่กี่นาที.

(H / T: IBM)