Komputasi Quantum
Komputasi kuantum adalah bidang studi difokuskan pada teknologi komputer berkembang berdasarkan prinsip-prinsip teori kuantum , yang menjelaskan sifat dan perilaku energi dan materi pada kuantum (atom dan subatom) tingkat. Pengembangan komputer kuantum , jika praktis, akan menandai lompatan maju dalam kemampuan komputasi jauh lebih besar daripada yang dari sempoa ke modern superkomputer , dengan keuntungan kinerja di alam miliar kali lipat dan seterusnya. Komputer kuantum, mengikuti hukum fisika kuantum, akan memperoleh kekuatan pengolahan yang besar melalui kemampuan untuk berada di beberapa negara, dan untuk melakukan tugas-tugas menggunakan semua kemungkinan permutasi secara bersamaan. kini pusat penelitian di komputasi kuantum termasuk MIT, IBM, Oxford University, dan Los Alamos National Laboratory.
Unsur-unsur penting dari komputasi kuantum berasal dengan Paul Benioff, bekerja di Argonne National Labs, pada tahun 1981. Dia berteori sebuah operasi komputer klasik dengan beberapa prinsip kuantum mekanik. Tapi secara umum diterima bahwa David Deutsch dari Universitas Oxford memberikan dorongan penting untuk penelitian komputasi kuantum. Pada tahun 1984, ia berada di sebuah konferensi teori komputasi dan mulai bertanya-tanya tentang kemungkinan merancang sebuah komputer yang didasarkan hanya pada aturan kuantum, kemudian diterbitkan kertas terobosan beberapa bulan kemudian. Dengan ini, lomba mulai mengeksploitasi ide-idenya. Namun, sebelum kita menggali ke dalam apa yang dia mulai, itu bermanfaat untuk melihat pada latar belakang dunia kuantum.
Teori Quantum
perkembangan teori kuantum mulai tahun 1900 dengan presentasi oleh Max Planck ke Himpunan Fisika Jerman, di mana ia memperkenalkan ide bahwa energi ada dalam unit individu (yang disebut "kuanta"), seperti halnya masalah. Selanjutnya perkembangan oleh sejumlah ilmuwan selama tiga puluh tahun berikutnya menyebabkan pemahaman modern tentang teori kuantum.
Essential Elements Teori Quantum:
Energi, seperti materi, terdiri dari unit diskrit, bukan hanya sebagai gelombang terus menerus. Dasar partikel dari kedua energi dan materi, tergantung pada kondisi, mungkin berperilaku seperti baik partikel atau gelombang. Gerakan partikel dasar secara inheren acak, dan, dengan demikian, tak terduga. Pengukuran simultan dari dua nilai komplementer, seperti posisi dan momentum suatu partikel dasar, adalah inescapably cacat, nilai yang lebih tepat diukur, semakin cacat akan menjadi pengukuran nilai lain.
Perkembangan lebih lanjut Teori Quantum
Niels Bohr mengusulkan interpretasi Copenhagen dari teori kuantum, yang menyatakan bahwa partikel adalah apa pun yang diukur harus (misalnya, gelombang atau partikel a) tetapi itu tidak dapat dianggap memiliki sifat tertentu, atau bahkan ada, sampai diukur. Singkatnya, Bohr mengatakan bahwa realitas obyektif tidak ada. Ini berarti dengan prinsip yang disebut superposisi yang menyatakan bahwa sementara kita tidak tahu apa keadaan objek apapun, sebenarnya di semua negara yang mungkin secara bersamaan, selama kita tidak melihat untuk memeriksa.
Untuk menggambarkan teori ini, kita dapat menggunakan analogi yang terkenal dan agak kejam Schrodinger's Cat. Pertama, kami memiliki kucing hidup dan tempatkan dalam kotak memimpin tebal. Pada tahap ini, tidak ada pertanyaan bahwa kucing masih hidup. Kami kemudian melemparkan dalam botol sianida dan segel kotak. Kami tidak tahu apakah kucing hidup atau jika telah melanggar kapsul sianida dan mati. Karena kita tidak tahu, kucing adalah baik mati dan hidup, menurut hukum kuantum - dalam superposisi negara. Hanya ketika kita membuka kotak dan melihat apa kondisi kucingnya ada di bahwa superposisi terputus, dan kucing harus baik hidup atau mati.
Interpretasi kedua adalah teori kuantum atau banyak-dunia teori multiverse. Ini memegang bahwa segera setelah potensi ada untuk objek apapun untuk berada dalam keadaan apapun, alam semesta itu transmute objek menjadi serangkaian alam semesta paralel sama dengan jumlah negara yang mungkin di mana objek dapat eksis, dengan alam semesta masing-masing berisi negara yang unik mungkin satu objek itu. Selain itu, ada mekanisme untuk interaksi antara alam semesta yang entah bagaimana memungkinkan semua negara untuk dapat diakses dengan cara tertentu dan untuk semua negara mungkin akan terpengaruh dalam beberapa cara. Stephen Hawking dan almarhum Richard Feynman adalah di antara para ilmuwan yang telah menyatakan preferensi untuk teori banyak-dunia.
Yang pernah satu argumen memilih, prinsip bahwa, dalam beberapa cara, satu partikel bisa ada di berbagai negara membuka implikasinya yang mendalam untuk komputasi.
Sebuah Perbandingan Klasik dan Quantum Computing
mengandalkan komputasi klasik, pada tingkat teratas, pada prinsip-prinsip yang diungkapkan oleh aljabar Boolean, beroperasi dengan (biasanya) 7-mode gerbang logika prinsip, meskipun mungkin ada dengan hanya tiga mode (yang DAN, TIDAK, dan COPY). Data harus diproses dalam keadaan biner eksklusif pada setiap saat - yaitu, baik 0 (off / false) atau 1 (on / true). Nilai-nilai adalah digit biner, atau bit. Jutaan transistor dan kapasitor di jantung komputer hanya bisa dalam satu negara pada titik apapun. Sedangkan saat itu setiap transistor atau kapasitor perlu baik dalam 0 atau 1 sebelum beralih menyatakan sekarang diukur dalam miliar detik, masih ada batas untuk berapa cepat perangkat ini dapat dibuat untuk beralih negara. Ketika kami maju ke sirkuit yang lebih kecil dan lebih cepat, kita mulai mencapai batas fisik material dan ambang untuk hukum klasik fisika untuk diterapkan. Di luar ini, dunia kuantum mengambil alih, yang membuka potensi sebagai besar sebagai tantangan yang disajikan.
Komputer Quantum, sebaliknya, dapat bekerja dengan modus logika gerbang-dua: XOR dan mode kami akan menelepon QO1 (kemampuan untuk mengubah 0 menjadi superposisi 0 1, dan gerbang logika yang tidak bisa eksis dalam komputasi klasik) . Dalam komputer kuantum, sejumlah elemen partikel seperti elektron atau foton dapat digunakan (dalam praktek, keberhasilan juga telah dicapai dengan ion), baik dengan biaya atau polarisasi bertindak sebagai representasi dari 0 dan / atau 1. Setiap partikel ini dikenal sebagai bit kuantum, atau qubit, sifat dan perilaku partikel-partikel ini membentuk dasar perhitungan kuantum. Dua aspek yang paling relevan fisika kuantum adalah prinsip-prinsip superposisi dan belitan.
Superposisi
Bayangkan sebuah qubit sebagai elektron dalam medan magnet. spin elektron tersebut mungkin baik sejalan dengan bidang, yang dikenal sebagai negara-up spin, atau sebaliknya ke lapangan, yang dikenal sebagai negara-down spin. Mengubah spin elektron dari satu negara ke lain dicapai dengan menggunakan pulsa energi, seperti dari laser - mari kita berkata, bahwa kita menggunakan 1 unit energi laser. Tapi bagaimana kalau kita hanya menggunakan setengah unit energi laser dan benar-benar mengisolasi partikel dari segala pengaruh eksternal? Menurut hukum kuantum, partikel kemudian memasuki superposisi negara, di mana ia berperilaku seolah-olah itu di kedua negara secara bersamaan. Setiap qubit dimanfaatkan bisa mengambil suatu superposisi dari kedua 0 dan 1. Dengan demikian, jumlah perhitungan bahwa sebuah komputer kuantum dapat melakukan adalah 2 ^ n, dimana n adalah jumlah qubit yang digunakan. Sebuah komputer kuantum terdiri dari 500 qubit akan memiliki potensi untuk melakukan 2 ^ 500 perhitungan dalam satu langkah. Ini adalah nomor awesome - 2 ^ 500 adalah atom jauh lebih daripada yang terdapat di alam semesta (ini pemrosesan paralel benar - klasik komputer saat ini, bahkan disebut prosesor paralel, masih hanya benar-benar melakukan satu hal pada suatu waktu: hanya ada dua atau lebih dari mereka melakukannya). Tapi bagaimana partikel-partikel ini berinteraksi dengan satu sama lain? Mereka akan melakukannya melalui belitan kuantum.
Keterkaitan Partikel (seperti foton, elektron, atau qubit) yang berinteraksi di beberapa titik mempertahankan jenis koneksi dan dapat dijerat dengan satu sama lain dalam pasangan, dalam proses yang dikenal sebagai korelasi. Mengetahui keadaan spin dari satu partikel terjerat - atas atau bawah - memungkinkan seseorang untuk mengetahui bahwa spin dari pasangannya adalah dalam arah yang berlawanan. Bahkan lebih menakjubkan adalah pengetahuan yang, karena fenomena superpostition, partikel diukur tidak memiliki arah spin tunggal sebelum diukur, namun secara bersamaan di kedua spin-up dan keadaan spin-down. Keadaan spin dari partikel yang diukur diputuskan pada saat pengukuran dan dikomunikasikan kepada partikel berkorelasi, yang sekaligus mengasumsikan berputar arah berlawanan dengan yang partikel diukur. Ini adalah fenomena nyata (Einstein menyebutnya "aksi seram pada jarak"), mekanisme yang tidak bisa, belum, dijelaskan dengan teori apapun - itu hanya harus diambil seperti yang diberikan. Keterkaitan kuantum memungkinkan qubit yang dipisahkan oleh jarak yang luar biasa untuk berinteraksi satu sama lain secara instan (tidak terbatas pada kecepatan cahaya). Tidak peduli seberapa besar jarak antara partikel berkorelasi, mereka akan tetap terjerat selama mereka terisolasi.
Secara keseluruhan, superposisi kuantum dan belitan menciptakan daya komputasi sangat ditingkatkan. Apabila suatu register 2-bit di komputer biasa dapat menyimpan hanya satu dari empat konfigurasi biner (00, 01, 10, atau 11) pada waktu tertentu, daftar 2-qubit dalam sebuah komputer kuantum dapat menyimpan semua empat nomor-nomor secara bersamaan, karena qubit masing-masing mewakili dua nilai. Jika qubit yang lebih banyak, peningkatan kapasitas diperluas secara eksponensial.
Quantum Programming
Mungkin bahkan lebih menarik daripada daya semata-mata komputasi kuantum adalah kemampuan yang menawarkan untuk menulis program dengan cara yang sama sekali baru. Sebagai contoh, sebuah komputer kuantum bisa menggabungkan urutan program yang akan di sepanjang baris "mengambil semua superposisi dari semua perhitungan sebelumnya" - sesuatu yang tidak berarti dengan komputer klasik - yang akan memungkinkan cara-cara yang sangat cepat untuk memecahkan masalah matematika tertentu , seperti faktorisasi jumlah besar, salah satu contoh yang kita bahas di bawah ini.
Ada dua keberhasilan penting sejauh ini dengan pemrograman kuantum. Yang pertama terjadi pada tahun 1994 oleh Peter Shor, (sekarang di AT & T Labs) yang mengembangkan sebuah algoritma kuantum yang efisien bisa menguraikan pd pengali jumlah besar. Ini pusat pada sistem yang menggunakan teori bilangan untuk memperkirakan periodisitas dari urutan nomor besar. Terobosan besar lainnya terjadi dengan Lov Grover dari Bell Labs pada tahun 1996, dengan algoritma yang sangat cepat yang terbukti menjadi yang tercepat mungkin untuk mencari melalui database tidak terstruktur. Algoritma ini sangat efisien sehingga hanya membutuhkan rata-rata, sekitar akar N persegi (dimana N adalah jumlah total elemen) pencarian untuk menemukan hasil yang diinginkan, sebagai lawan pencarian dalam komputasi klasik, yang pada kebutuhan rata-rata N / 2 pencarian.
Masalah Dan Beberapa Solusi
Beberapa masalah dengan komputasi kuantum adalah sebagai berikut:
1. Interferensi - Selama tahap perhitungan perhitungan kuantum, gangguan sekecil apapun dalam sebuah sistem kuantum (mengatakan foton tersesat atau gelombang radiasi EM) menyebabkan perhitungan kuantum runtuh, sebuah proses yang dikenal sebagai de-koherensi. Sebuah komputer kuantum harus benar-benar terisolasi dari semua gangguan eksternal selama tahap perhitungan. Beberapa keberhasilan telah dicapai dengan penggunaan qubit dalam medan magnet kuat, dengan penggunaan ion.
2. Koreksi kesalahan - Karena benar-benar mengisolasi sistem kuantum terbukti sangat sulit, sistem koreksi kesalahan untuk perhitungan kuantum telah dikembangkan. Qubit tidak bit data digital, sehingga mereka tidak dapat menggunakan konvensional (dan sangat efektif) koreksi kesalahan, seperti metode triple berlebihan. Mengingat sifat dari komputasi kuantum, koreksi kesalahan ultra kritis - bahkan satu kesalahan dalam perhitungan dapat menyebabkan validitas perhitungan seluruh runtuh. Telah ada kemajuan di bidang ini, dengan koreksi kesalahan algoritma dikembangkan yang memanfaatkan 9 qubit (1 komputasi dan 8 pemasyarakatan). Baru-baru ini, ada sebuah terobosan oleh IBM yang membuat hubungannya dengan total 5 qubit (1 komputasi dan 4 pemasyarakatan).
3. memperhatikan Output - erat terkait dengan di atas dua, mengambil data keluaran setelah perhitungan kuantum adalah risiko selesai merusak data. Dalam sebuah contoh dari sebuah komputer kuantum dengan 500 qubit, kita memiliki 1 dalam 2 ^ 500 kesempatan mengamati output benar jika kita mengukur output. Jadi, apa yang dibutuhkan adalah suatu metode untuk memastikan bahwa, segera setelah semua perhitungan dibuat dan tindakan observasi berlangsung, nilai diamati akan sesuai dengan jawaban yang benar. Bagaimana hal ini dapat dilakukan? Ini telah dicapai oleh Grover dengan algoritma pencarian database-nya, yang bergantung pada bentuk khusus "gelombang" dari kurva probabilitas yang melekat dalam komputer kuantum, yang menjamin, setelah semua perhitungan selesai, tindakan pengukuran akan melihat keadaan kuantum decohere ke jawaban yang benar.
4. Meskipun ada banyak masalah untuk mengatasi, terobosan dalam 15 tahun terakhir, dan terutama dalam 3 terakhir, telah membuat beberapa bentuk komputasi kuantum praktis tidak layak, tapi ada banyak perdebatan mengenai apakah ini kurang dari satu dekade lagi atau seratus tahun ke depan. Namun, potensi bahwa teknologi ini menawarkan banyak menarik minat luar biasa baik dari pemerintah dan sektor swasta. aplikasi Militer mencakup kemampuan untuk memecahkan kunci enkripsi melalui pencarian kekerasan, sedangkan aplikasi sipil berkisar dari pemodelan DNA untuk analisis ilmu material yang kompleks. Ini adalah potensi ini yang cepat mendobrak hambatan untuk teknologi ini, tapi apakah semua hambatan bisa pecah, dan ketika, sangat banyak pertanyaan terbuka.
