Hoe Quantum Computers werken

Een kwantumcomputer is een computerontwerp dat de principes van gebruikt kwantumfysica om de rekenkracht te vergroten boven wat haalbaar is met een traditionele computer. Quantumcomputers zijn op kleine schaal gebouwd en werken nog steeds aan een upgrade naar meer praktische modellen.

Computers werken door gegevens op te slaan in een binair getal formaat, wat resulteert in een reeks enen en nullen die worden bewaard in elektronische componenten zoals transistoren. Elk onderdeel van het computergeheugen wordt a genoemd beetje en kan worden gemanipuleerd door de stappen van Booleaanse logica, zodat de bits veranderen op basis van de algoritmen toegepast door het computerprogramma, tussen de 1 en 0 modi (soms aangeduid als "aan" en "uit").

Een kwantumcomputer daarentegen zou informatie opslaan als een 1, 0 of een kwantumsuperpositie van de twee toestanden. Een dergelijk "kwantumbit" zorgt voor een veel grotere flexibiliteit dan het binaire systeem.

In het bijzonder zou een kwantumcomputer berekeningen kunnen uitvoeren op een veel grotere orde van grootte dan traditionele computers... een concept met ernstige zorgen en toepassingen op het gebied van cryptografie en codering. Sommigen vrezen dat een succesvolle en praktische kwantumcomputer het financiële systeem van de wereld zou verwoesten door hun computerbeveiliging te doorbreken coderingen, die zijn gebaseerd op factoring van grote aantallen die letterlijk niet kunnen worden gekraakt door traditionele computers tijdens de levensduur van de universum. Een kwantumcomputer daarentegen zou de getallen binnen een redelijke periode kunnen factoreren.

Overweeg dit voorbeeld om te begrijpen hoe dit de zaken versnelt. Als de qubit zich in een superpositie van de 1-toestand en de 0-toestand bevindt en een berekening met een andere qubit in de dezelfde superpositie, dan levert één berekening daadwerkelijk 4 resultaten op: een 1/1 resultaat, een 1/0 resultaat, een 0/1 resultaat en een 0/0 resultaat. Dit is een resultaat van de wiskunde die wordt toegepast op een kwantumsysteem in een toestand van decoherentie, die duurt zolang het zich in een superpositie van toestanden bevindt totdat het in één toestand instort. Het vermogen van een kwantumcomputer om meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren (of parallel, in computertermen) wordt kwantumparallellisme genoemd.

Het exacte fysieke mechanisme op het werk binnen de kwantumcomputer is enigszins theoretisch complex en intuïtief verontrustend. Over het algemeen wordt het uitgelegd in termen van de multi-wereldinterpretatie van kwantumfysica, waarbij de computer niet alleen berekeningen uitvoert in ons universum, maar ook in andere universums tegelijkertijd, terwijl de verschillende qubits zich in een kwantumdecoherentie bevinden. Hoewel dit vergezocht klinkt, is aangetoond dat de interpretatie van meerdere werelden voorspellingen doet die overeenkomen met experimentele resultaten.

Quantum computing neigt zijn wortels terug te voeren op een toespraak van 1959 door Richard P. Feynman waarin hij sprak over de effecten van miniaturisatie, inclusief het idee van het benutten van kwantumeffecten om krachtigere computers te maken. Deze toespraak wordt ook algemeen beschouwd als het startpunt van nanotechnologie.

Voordat de kwantumeffecten van computing konden worden gerealiseerd, moesten wetenschappers en ingenieurs de technologie van traditionele computers natuurlijk beter ontwikkelen. Dit was de reden waarom er vele jaren weinig directe vooruitgang was, of zelfs geen interesse, in het idee om de suggesties van Feynman te realiseren.

In 1985 werd het idee van "kwantumlogische poorten" naar voren gebracht door David Deutsch van de Universiteit van Oxford, als middel om het kwantumrijk in een computer te benutten. Uit het artikel van Deutsch over dit onderwerp bleek zelfs dat elk fysiek proces door een kwantumcomputer kon worden gemodelleerd.

Bijna tien jaar later, in 1994, bedacht Peter Shor van AT&T een algoritme dat slechts 6 qubits kon gebruiken om enkele basisfactoren uit te voeren... hoe groter de complexiteit, des te complexer werden de getallen die factorisatie vereisen natuurlijk.

Een handvol kwantumcomputers is gebouwd. De eerste, een 2-qubit kwantumcomputer in 1998, kon triviale berekeningen uitvoeren voordat hij na enkele nanoseconden decoherentie verloor. In 2000 bouwden teams met succes zowel een 4-qubit als een 7-qubit kwantumcomputer. Onderzoek over dit onderwerp is nog steeds zeer actief, hoewel sommige natuurkundigen en ingenieurs hun bezorgdheid uiten over de moeilijkheden die gepaard gaan met het opschalen van deze experimenten naar grootschalige computersystemen. Toch laat het succes van deze eerste stappen zien dat de fundamentele theorie goed is.

Het belangrijkste nadeel van de kwantumcomputer is hetzelfde als zijn sterkte: kwantumdecoherentie. De qubit-berekeningen worden uitgevoerd terwijl de kwantumgolffunctie in een superpositie is tussen toestanden, wat het mogelijk maakt om de berekeningen uit te voeren met behulp van zowel 1 & 0 toestanden tegelijkertijd.

Wanneer echter een meting van een type wordt uitgevoerd in een kwantumsysteem, valt de decoherentie uiteen en stort de golffunctie in een enkele toestand in. Daarom moet de computer op een of andere manier doorgaan met het maken van deze berekeningen zonder metingen te doen tot het juiste tijdstip, wanneer het kan dan uit de kwantumtoestand vallen, een meting laten uitvoeren om het resultaat te lezen, dat vervolgens wordt doorgegeven aan de rest van de systeem.

De fysieke vereisten voor het manipuleren van een systeem op deze schaal zijn aanzienlijk en raken aan de rijken van supergeleiders, nanotechnologie en kwantumelektronica, evenals andere. Elk van deze is zelf een geavanceerd veld dat nog steeds volledig wordt ontwikkeld, dus probeert te fuseren ze allemaal samen in een functionele kwantumcomputer is een taak waar ik niet bijzonder jaloers op ben iedereen... behalve de persoon die eindelijk slaagt.