מציאות, שעדיין מעבר לידיעתנו - מחשבים קוונטיים

בחיים של כולם יש כמה רגעים, דברים שאנחנו לא יכולים להסביר. דברים שאנחנו לא יכולים להבין. ובכן בעניין מחשבים קוונטיים כולנו במצב זה כולל המוחות הגדולים בעולם של המאות העשרים וה 21.

מקור: i.ytimg.com

אז אנשים בנו מחשבים קוונטיים אבל הם לא יכולים להבין את זה?

כמה זה שנוי במחלוקת? למעשה, המדענים מכירים את פעולת השטח של מחשבי קוונטים, אך העיקרון העומד בבסיס השולט בהתנהגותם כולה של מחשב קוונטי עדיין ניתן למחלוקת.

אז מה זה מדע מוזר ומחשבים מוזרים?

"אלוהים לא משחק קוביות עם היקום." - אלברט איינשטיין
"לא רק שאלוהים מנגן בקוביות אלא ... לפעמים הוא זורק אותם למקום שלא ניתן לראותם." - סטיבן הוקינג

כך מתאר המוח הגדול ביותר של המאה ה -20 והמוח הגדול ביותר של המאה ה -21 את המדע המסתורי הזה. אלברט איינשטיין האמין כי מהלך כל האירועים מוגדר מראש. אבל הוקינג אומר שלא זה לא. לפעמים הדברים מתרחשים באופן שרק אלוהים יכול להסביר. מדוע כל כך הרבה דיונים? הם לא יכולים להסכים למשהו? ובכן העובדה היא כפי שהיא מוזכרת מכניקת הקוונטים ממש מסתורית. התנהגות קוונטית זו מפרה את מרבית תופעות הפיזיקה הכלליות. לא רק זה, ניתן לראות את הטבע הזה רק בחלקיקים זעירים מאוד.

ברוך הבא לעולם המתמטיקה. ההתנהגות הקוונטית מוסברת לחלוטין על ידי קבוצת מודלים מתמטיים והתוצאות באמת שנויות במחלוקת עם העולם הטבעי שאנו חווים כל יום.

בעיקרון פיזיקת הקוונטים הזו תלויה בהסתברות. כדוגמה פשוטה בזמן שאתה קורא מאמר זה בזמן שאתה נמצא באוטובוס, למרות שאולי לא תאמין, לפי פיזיקת הקוונטים יש סבירות שאתה תהיה "הבית הלבן". וזכרו שההסתברות גדולה מאפס !!. אבל זה יהיה די קטן כמו מיליארד. תיאורטי יש סיכוי !. כאשר חלקיקים הופכים קטנים יותר וקטן יותר ההסתברות הזו. כאשר מחשבים אלקטרונים עם מסה של 9.10938356 × 10–31 קילוגרמים, על פי חוקי הפיזיקה הקוונטית ישנה סבירות ניכרת. מה שהוא אומר בעקיפין יש סיכוי שהאלקטרון הזה יכול להתקיים בשני המקומות. באופן כללי יותר האלקטרון יכול להתקיים ביותר ממצב אחד. זהו התפיסה העקרונית העומדת מאחורי כוח העיבוד האולטימטיבי של מחשבי קוונטים ואנחנו נגיע לזה.

בסוף שנות ה -90 הגה לראשונה הרעיון של מחשב קוונטי את הפיזיקאי זוכה פרס נובל ריצ'רד פיינמן. למעשה זה היה רק ​​הרעיון. אבל זה היה הדמיון הראשון של מחשב שהוא מעבר לכל המסורת.

אז מה ההבדל הגדול בין מחשבים של ימינו למחשבים קוונטיים? התשובה הישירה היא כוח העיבוד. ההערכה היא שכאשר מחשבים את כוח העיבוד, מחשב קוונטי מעוצב כהלכה יוכל לעלות על כל מחשב מודרני. למעשה ניתן לחזות שמחשבים בינאריים שאנו משתמשים בהם לעולם לא יוכלו להגיע לכושר עיבוד זה. אז בואו נחפור עמוק כדי לראות כיצד המחשב הזה יכול לבצע את זה הרבה יותר מהר? התשובה נעוצה במכניקת הקוונטים.

היחידה הבסיסית המשמשת במחשב של ימינו היא קצת (ספרה בינארית). קצת יכול להכיל ערך אחד בלבד. או 1 או 0. אבל כשמדובר במחשבים קוונטיים היחידה הבסיסית ידועה כ"קוביט ". Qubit או bit quantum היא יחידה של מידע קוונטי - האנלוג הקוונטי של הסיבית הקלאסית. אנו יודעים שאלמנטים קוונטיים יכולים להתקיים ביותר ממצב אחד בו זמנית. קוביט נמצא בסופרפוזיציה של "ערך 1" ו"ערך 0 ". (קיים ביותר ממצב אחד בו זמנית מוגדר כסופרפוזיציה.) סופרפוזיציה זו היא הסיבה שמחשבים קוונטיים עולים על כל המחשבים בעולם הבינארי המודרני. קוביט זעיר זה יכול להכיל גם 1 וגם 0 יחד וזה מגדיל את כוח החישוב בצורה שלא תאמן.

מקור: quantumfrontiers.files.wordpress.com

בוא ניקח דוגמא. במחשב בינארי אם ניקח שני סיביות ישנן ארבע אפשרויות 11, 10, 00, 01 ,. אבל שני הקטעים האלה יכולים לקחת רק 1 מתוך 4 בכל זמן נתון. אם יש צורך בארבע המדינות זה נדרש לארבע פעולות. אך מכיוון ש- Qubit יכול להכיל 1 ו- 0 בבת אחת. ניתן להגיע לארבע המדינות הללו בבת אחת. ארבע פעולות יופחתו לאחת. (זה קורה מכיוון ש- Qubits יכול להכיל את שני הערכים. שני קוביות יכולות להכיל את ארבעת המצבים האלה בבת אחת כאשר ביטים רגילים זקוקים למצב אחד לכל אחד מהם.) השאר הם מתמטיקה. פשוט קח 3 קוביט שיכולים להכיל 8 מצבים בבת אחת. עם 4 קוביט, 16 ערכים שונים. די ברור שבשל תופעת הסופרפוזיציה של Qubits, מחשב קוונטי יוכל לעבד פי אלף מהר יותר ממחשבים רגילים.

אז בואו נבנה מחשב קוונטי, למה אנחנו מחכים?

חלק טריקי מגיע עכשיו. בניית מחשב קוונטי אינה משימה פשוטה. למרות שיש תוצאות מוצלחות, מדענים עדיין נאבקים עם מודל מתוחכם. הסיבה העיקרית לקשיים ידועה כתופעה טבעית נוספת הנקראת "דקורנטיות".

אז מה זו הדאוחרנטיות הזו? ראשית, האם אתה מוכן למסע אל העולם הקוונטי המסתורי כדי למצוא דקוורנצה?

בתחילת הדרך הוזכר כי אלמנטים קוונטיים יכולים להתקיים יותר ממדינה אחת בו זמנית וזה נקרא superposition. פירושו של Decohernece הוא תופעות הטבע שאלמנט קוונטי יעזוב מדינות אחרות ויתחיל להישאר במצב אחד. בעיקרון זה הזמן בו אותו אלמנט מפסיק להראות את טבעו הקוונטי. אלמנטים דקו-רנשיים אלה נשלטים על ידי הפיזיקה של ניוטוניון ולא על ידי מכניקת הקוונטים. כשאין סופרפוזיציה אין כוח עיבוד קיצוני.

מה שהכי מוזר הוא הסיבה לדקורנה. על פי הפיזיקה הקוונטית אם ננסה למדוד אלמנט קוונטי שיופרק.

כידוע במרחב תלת-ממדי אנו יכולים לאתר כל אובייקט באמצעות צירי x, y, z. באופן דומה אם אנו מנסים לאתר אלמנט קוונטי (למשל: ריבוע) הוא יכול להיות ממוקם, אך ברגע זה הוא לא מראה את הטבע הקוונטי. כשאנחנו מודדים או לוכדים קוביט זה כבר לא יהיה קוביט עד שנשחרר אותו. זו אחת התופעות הכי לא יאומנות ונפלאות בטבע שמעסיקה את מוחותיהם הגדולים בעולם מאז שנות השלושים. ישנם כמה דגמים ותיאוריות שמסבירים את התופעה, אך עדיין ניתן להתווכח איתם.

בשל אופיו המפחיד הזה של עולם הקוונטים, יש צורך בסוגים מיוחדים של אלגוריתמים למחשבי קוונטים. יש להגדיר את האלגוריתמים הללו באופן שניתן לבצע פעולות מבלי למדוד את הקוויביטים. למעשה אלגוריתמים מסוג זה קיימים גם כן.

כידוע לכולנו, אוניברסיטאות בעלות התושיה בעולם כמו MIT קיימברידג 'ומקס פלאנק עורכים ניסויים רבים בתחום זה. על פי מדענים, "אם תעלומת הדאוחרנטיות תיפתר כראוי, עידן מחשבי הקוונטים של כף היד לא יהיה הרבה רחוק".