Реальность, все еще за пределами нашего знания - Квантовые Компьютеры

В жизни каждого есть моменты, которые мы не можем объяснить. Вещи, которые мы не можем понять. Что касается квантовых компьютеров, то все мы находимся в этом состоянии, включая величайшие умы мира 20-го и 21-го веков.

Источник: i.ytimg.com

Итак, люди создали квантовые компьютеры, но они не могут этого понять?

Насколько это противоречиво? На самом деле, ученые знают, как работают квантовые компьютеры на поверхности, но основополагающий принцип, управляющий всем поведением квантовых компьютеров, все еще остается спорным.

Так что же это за странная наука и странные компьютеры?

«Бог не играет в кости со вселенной». - Альберт Эйнштейн
«Бог не только играет в кости, но… он иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть». - Стивен Хокинг

Так величайший разум XX века и величайший разум XXI века описывает эту таинственную науку. Альберт Эйнштейн считал, что ход всех событий предопределен. Но Хокинг говорит, что нет. Иногда вещи происходят таким образом, что только Бог может объяснить. Почему так много споров? Разве они не могут договориться о чем-то? Факт в том, что квантовая механика действительно таинственна. Это квантовое поведение нарушает большинство общих физических явлений. Мало того, эту природу можно увидеть только в очень мелких частиц.

Добро пожаловать в мир математики. Квантовое поведение полностью объясняется набором математических моделей, и результаты действительно противоречивы с миром природы, с которым мы сталкиваемся каждый день.

В основном эта квантовая физика зависит от вероятности. В качестве простого примера, когда вы читаете эту статью, находясь в автобусе, даже, хотя вы можете не верить, согласно квантовой физике, существует вероятность того, что вы окажетесь в «белом доме». И помните, что вероятность больше нуля! Но это будет очень мало, как одна миллиардная. Теоретический шанс есть! Когда частицы становятся все меньше и меньше, эта вероятность увеличивается. Если рассматривать электрон с массой 9,10938356 × 10–31 килограмм, то согласно законам квантовой физики существует значительная вероятность. Это косвенно говорит о том, что существует вероятность того, что этот электрон может существовать в обоих местах. В более общем смысле электрон может существовать более чем в одном состоянии. Это принципиальная концепция, лежащая в основе максимальной вычислительной мощности квантовых компьютеров, и мы к этому вернемся.

В конце 90-х годов нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман впервые предложил идею квантового компьютера. На самом деле это была просто идея. Но это было первое воображение компьютера, который выходит за рамки всех традиций.

Так в чем же разница между современными компьютерами и квантовыми компьютерами? Прямой ответ - вычислительная мощность. Было подсчитано, что если учитывать вычислительную мощность, правильно спроектированный квантовый компьютер сможет обогнать любой современный компьютер. На самом деле прогнозируется, что бинарные компьютеры, которые мы используем сегодня, никогда не смогут достичь такой вычислительной мощности. Итак, давайте углубимся, чтобы увидеть, как этот компьютер может работать так быстро? Ответ лежит в квантовой механике.

Базовая единица, которая используется в современном компьютере - это бит (двоичная цифра). Бит может содержать только одно значение. Либо 1, либо 0. Но когда дело доходит до квантовых компьютеров, базовая единица называется «кубит». Кубит или квантовый бит - это единица квантовой информации - квантовый аналог классического бита. Мы знаем, что квантовые элементы могут существовать одновременно в нескольких состояниях. Qubit находится в суперпозиции «значение 1» и «значение 0». (Существование в более чем одном состоянии одновременно определяется как суперпозиция.) Эта суперпозиция является причиной того, что квантовый компьютер опережает все компьютеры в современном двоичном мире. Этот крошечный кубит может содержать как 1, так и 0 вместе, что невероятно увеличивает вычислительные возможности.

Источник: Quantfrontiers.files.wordpress.com

Давайте возьмем пример. В двоичном компьютере, если мы берем два бита, есть четыре варианта 11, 10, 00, 01 ,. Но эти два бита могут принимать только 1 из 4 в данный момент времени. Если нужны все четыре состояния, требуется 4 операции. Но поскольку Qubit может содержать 1 и 0 сразу. Все эти четыре состояния могут быть достигнуты одновременно. Четыре операции будут сокращены до одной. (Это происходит потому, что кубиты могут содержать оба значения. Два кубита могут содержать эти четыре состояния одновременно, когда обычным битам нужно одно состояние для каждого.) Остальное - математика. Просто возьмите 3 кубита, которые могут содержать 8 состояний одновременно. С 4 кубитами, 16 разными значениями. Совершенно очевидно, что благодаря явлению суперпозиции Qubits, квантовый компьютер сможет обрабатывать в тысячи раз быстрее, чем обычные компьютеры.

Итак, давайте создадим квантовый компьютер, чего мы ждем?

Сложная часть приходит сейчас. Создание квантового компьютера не простая задача. Даже при том, что есть некоторые успешные результаты, ученые все еще изо всех сил пытаются придумать сложную модель. Основная причина трудностей известна как еще один природный феномен, называемый «декогеренция».

Так что же это за декогеренция? Прежде всего, готовы ли вы отправиться в путешествие по таинственному квантовому миру, чтобы найти декогеренс?

В начале было упомянуто, что квантовые элементы могут существовать более чем в одном состоянии одновременно, и это называется суперпозицией. Декогеренция означает природные явления, когда квантовый элемент покидает другие состояния и начинает оставаться в одном состоянии. В основном это время, когда этот элемент перестает показывать свою квантовую природу. Эти элементы декогеренции регулируются физикой Ньютона, а не квантовой механикой. Когда нет суперпозиции, нет экстремальной вычислительной мощности.

Что самое странное - причина декогеренции. Согласно квантовой физике, если мы попытаемся измерить квантовый элемент, который будет декодирован.

Как мы знаем в трехмерном пространстве, мы можем найти любой объект по осям x, y, z. Аналогичным образом, если мы пытаемся найти квантовый элемент (например, кубит), он может быть найден, но в тот момент он не показывает квантовую природу. Когда мы измеряем или собираем Qubit, он больше не будет Qubit, пока мы его не выпустим. Это одно из самых невероятных и удивительных явлений в природе, которое заставляет самые великие умы мира заниматься с 1930-х годов. Есть некоторые модели и теории, которые объясняют это явление, но все же они спорны.

Из-за этой жуткой природы квантового мира для квантовых компьютеров требуются специальные алгоритмы. Эти алгоритмы должны быть определены таким образом, чтобы операции получения можно было выполнять без измерения кубитов. На самом деле такие алгоритмы тоже существуют.

Как все мы знаем сегодня, самые находчивые университеты мира, такие как MIT Cambridge и Max Plank, проводят множество экспериментов в этой области. По словам ученых, «если тайна декогеренции будет должным образом разгадана, эпоха портативных квантовых компьютеров не будет намного дальше».