เนื้อหา
David Wineland ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2555 จากผลงานการกักขังไอออนซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัม (เก็ตตี้อิมเมจ)
วันของคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมอาจมีการกำหนดหมายเลข กฎของมัวร์ระบุว่าจำนวนทรานซิสเตอร์ (ส่วนประกอบในข้อมูลการประมวลผลของคอมพิวเตอร์) ในซีพียูที่มีวางจำหน่ายทั่วไปจะเพิ่มเป็นสองเท่าทุกสองปี ฟังดูดีในตอนแรก แต่เมื่อ บริษัท ต่างๆพยายามบีบทรานซิสเตอร์ให้มากขึ้นเรื่อย ๆ ในซีพียูปัญหาก็เริ่มปรากฏขึ้น ตอนนี้ชิปที่ผลิตโดย Pentium ได้ถูกลดขนาดลงเหลือเพียง 20 อะตอมเท่านั้นและเมื่อจำนวนนี้ลดลงเหลือ 5 อะตอมจะมีปัญหาร้ายแรง ในฐานะนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Michio Kaku กล่าวว่า "พลังการประมวลผลไม่สามารถเพียงรักษาการเติบโตแบบเลขชี้กำลังด้วยเทคโนโลยีซิลิคอนมาตรฐาน" มีสิ่งใหม่ ๆ เกิดขึ้นแทนที่และสิ่งนี้อาจเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัม
สิ่งกีดขวางและการซ้อนทับ
เมื่อคุณไปถึงระดับปรมาณูจะมีกฎหมายชุดใหม่เริ่มขึ้นกฎหมายเหล่านี้ก็เริ่มที่จะนำเสนอปัญหาให้กับผู้ผลิตคอมพิวเตอร์แล้ว เพื่อให้เข้าใจพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคุณต้องเข้าใจปรากฏการณ์แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม นี่คือโลกของอะตอม โลกที่คุณแทบจะไม่สามารถบอกได้ว่ามีอะไรอยู่ที่ไหนและอิเล็กตรอนสามารถหมุนในสองทิศทางพร้อมกันได้ ดูเหมือนว่าจะไม่มีความหมาย? คอมพิวเตอร์ที่คุณใช้อ่านบทความนี้เป็นไปตามกฎหมายเดียวกันของกลศาสตร์ควอนตัม กล่าวอีกนัยหนึ่งแอปพลิเคชั่นเป็นของจริงมาก
แนวคิดที่สำคัญที่สุดสองข้อที่คุณต้องเข้าใจคือการพัวพันและการทับซ้อนกัน อิเล็กตรอนซึ่งโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมมีคุณสมบัติที่เรียกว่าสปินหมายความว่าพวกมันสามารถหมุนขึ้นหรือลง พวกเขามาเป็นคู่และสิ่งเหล่านี้หมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม หากไม่มีการสังเกตอย่างใกล้ชิดมันเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ว่าอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งในคู่นั้นหมุนไป การตีความจากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมบอกว่าอิเล็กตรอนอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับของทั้งสองหมุนขึ้นลงจนกว่าเราจะเริ่มสังเกตมันซึ่งทำให้มันสันนิษฐานว่าเป็นสถานะที่ไม่ซ้ำกัน
คู่ในตัวเองมีความสัมพันธ์ซึ่งหมายความว่าหากมีการหมุนขึ้นไปอีกคู่ลงและในทางกลับกัน พูดง่ายๆก็คือถ้าคุณมีอิเล็กตรอนสองตัวในหนึ่งคู่พวกมันทั้งคู่จะมีการซ้อนกันของการบิดขึ้นและลงจนกว่าคุณจะสังเกตเห็นหนึ่งในนั้น เมื่อมาถึงจุดนี้อิเล็กตรอนที่สังเกตได้จะกลับไปเป็นสถานะ (ขึ้นตัวอย่าง) และคู่ที่มีอินเตอร์เลซนั้นจะเข้าสู่สถานะตรงกันข้าม (ลง) Einstein เรียกเหตุการณ์นี้ว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" การซ้อนทับกันและผลกระทบจากการสังเกตของเรานั้นไม่ง่ายที่จะเข้าใจ แต่สิ่งเหล่านี้มีความจำเป็นต่อการคำนวณควอนตัม
บิตและ qubits
คอมพิวเตอร์ทั่วไปจะทำงานกับ "บิต" ซึ่งก็คือ "เปิด" และ "ปิด" ตำแหน่งที่แสดงโดยคนและศูนย์ (เลขฐานสอง) เนื่องจากการทับซ้อนคอมพิวเตอร์ควอนตัมประกอบด้วยวัตถุควอนตัมเช่นอิเล็กตรอนโฟตอนและอะตอมสามารถเกิดขึ้นได้โดยบิตที่ถือว่าหนึ่งและศูนย์พร้อมกัน บิตใหม่เหล่านี้เรียกว่า qubits หรือควอนตัมบิต ในระบบเลขฐานสองสามบิตคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิคสามารถเป็นตัวแทนของเลขศูนย์ถึงเจ็ดในช่วงเวลาใดก็ได้ อย่างไรก็ตามสาม qubits ในสถานะที่ทับซ้อนกันสามารถแสดงตัวเลขที่เป็นไปได้ทั้งหมดในเวลาเดียวกัน
การทับซ้อนหมายความว่า qubits สามารถทำการคำนวณจำนวนมากพร้อมกันแทนที่จะทำการแสดงทีละครั้งเช่นเดียวกับในคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ซึ่งหมายความว่าคอมพิวเตอร์ที่มี 30 บิตจะเทียบเท่ากับคอมพิวเตอร์ธรรมดาที่ทำงานที่สิบ teraflops ต่อวินาที นี่เป็นเพียงการวัดความเร็วในการประมวลผลและสิ่งที่คุณต้องรู้เพื่อทำความเข้าใจการเพิ่มขึ้นของพลังการประมวลผลที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถนำมาใช้ได้คือคอมพิวเตอร์ปัจจุบันของเราวัดเป็น gigaflops ต่อวินาที
ความท้าทายในทางปฏิบัติ
มีปัญหาในทางปฏิบัติที่เข้มงวดในการผลิตคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่ก็ยังมีการผลิตในขนาดที่ใหญ่กว่าและใหญ่กว่า ปัญหาเกิดขึ้นไม่เพียง แต่ในการจัดการกับวัตถุควอนตัม แต่ยังกับความจริงที่ว่าพวกเขาทำหน้าที่แตกต่างกันเมื่อสังเกต นี่เป็นความคิดที่ค่อนข้างสับสน แต่การซ้อนทับทรุดตัวลงสู่สถานะปกติถ้าคุณสังเกต - ดังนั้นควิบิตจะกลายเป็นบิตปกติถ้าสังเกตสิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงปัญหาที่เห็นได้ชัดในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้เนื่องจากการสังเกตเพียงอย่างเดียวอาจทำให้พวกมันกลายเป็นคอมพิวเตอร์ธรรมดา
อย่างไรก็ตามการพัวพันมีวิธีแก้ปัญหา อนุภาคถูกจับคู่และการสังเกตของหนึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับอื่น ๆ โดยไม่ต้องสังเกต โดยการสร้างคู่ของอะตอมโดยทั่วไปแล้วนักวิทยาศาสตร์จะส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งซึ่งจะช่วยให้การแลกเปลี่ยนข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการคำนวณโดยไม่ต้องสังเกตระบบโดยตรงและโดยไม่ทำให้มันเป็นคอมพิวเตอร์ธรรมดา แม้ว่าการพัวพันอาจให้วิธีแก้ปัญหา แต่อยู่ไกลจากการนำมาใช้ในระดับที่มีนัยสำคัญ Scott Aaronson จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์บอกว่าเขาไม่ได้รีบร้อนตั้งแต่ "100 ปีผ่านไปแล้วระหว่าง Charles Babbage และการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ดังนั้นฉันรู้สึกว่าถ้าเราสามารถเอาชนะพวกเขาได้เราจะได้เปรียบ"