1. Ringkasan
Apa itu pengkomputeran kuantum?
Pengkomputeran membawa perubahan kecil dalam paradigma pengkomputeran yang membolehkan paralelisme besar berlaku ketika mengira keuntungan komputasi yang signifikan, yang dikorbankan dalam determinisme algoritma klasik.
Untuk ini, komputer kuantum memerlukan zarah-zarah yang akan membentuk qubit yang menyusunnya dapat berada dalam dua keadaan pada masa yang sama, memerlukan pengasingan hampir keseluruhan dan persekitaran yang mengawal dan menghindari kemungkinan interaksi qubit dengan partikel atau sinaran lain, yang menjadikannya sukar untuk membangun komputer kuantum saat ini yang dapat menjadi stabil dan inilah sebab mengapa komputer kuantum dengan kapasiti yang mencukupi belum dilaksanakan, hanya prototaip yang berkembang sedikit demi sedikit.
2. Pengenalan
Ia adalah paradigma pengkomputeran yang berbeza daripada pengkomputeran klasik. Ini berdasarkan penggunaan qubit dan bukan bit, dan ini menimbulkan pintu masuk logik baru yang memungkinkan algoritma baru dimungkinkan.
2.1 Bit dan qubit. Maklumat bertindih
Dalam komputer klasik, jumlah minimum maklumat yang dapat disimpan adalah sedikit. Sel memori atom dapat menyimpan salah satu daripada dua keadaan diskrit yang mungkin, 0 atau 1. Penerapan mekanik kuantum pada konsep bit adalah yang memungkinkan kelahiran bit kuantum atau qubit (bit kuantum): sel memori yang boleh berada di salah satu dari dua keadaan (0 atau 1), atau dalam superposisi kedua-duanya.
Ini bermaksud bahawa dengan daftar N qubit, sehingga 2 ^ N nilai yang berbeza dapat ditunjukkan. Dan melakukan operasi pada daftar qubit akan melakukannya pada semua nilai yang ditumpangkan pada daftar. Aplikasi besar pengiraan selari inilah yang dapat kita panggil, di bawah tafsiran Everett, "beroperasi pada alam semesta selari yang tidak terhingga", iaitu, pada realiti (atau nilai) yang berbeza yang dapat berisi daftar qubit pada masa itu. Sebagai contoh, jika anda mempunyai daftar 10-qubit maka daftar yang sama dapat menyimpan hingga 1024 nilai pada satu masa, iaitu, superposisi dari semua nilai yang mungkin diambil oleh sepuluh bit klasik. Dengan beroperasi dengan pendaftaran itu,Operasi ini akan diterapkan pada semua nilai registri yang mungkin, jadi dalam hal ini 1024 operasi akan dilakukan dengan biaya satu. Jelas bahawa kekuatan sistem akan meningkat secara eksponensial kepada jumlah qubit yang dapat dikelompokkan dalam daftar.
3. Asal pengkomputeran kuantum
Idea pengkomputeran kuantum muncul pada tahun 1981, ketika Paul Benioff menjelaskan teorinya untuk memanfaatkan hukum kuantum dalam lingkungan pengkomputeran. Daripada bekerja pada tahap voltan elektrik, seseorang bekerja pada tahap berapa. Dalam pengkomputeran digital, sedikit hanya dapat mengambil dua nilai: 0 atau 1. Dalam pengkomputeran kuantum, di sisi lain, undang-undang mekanik kuantum campur tangan, dan zarah dapat berada dalam superposisi koheren: dapat 0,1 dan dapat 0 dan 1 pada masa yang sama (dua keadaan ortogonal zarah subatom). Ini membolehkan beberapa operasi dilakukan pada masa yang sama, bergantung pada jumlah qubit.
4. Ciri-ciri
Semasa dalam pengiraan yang kita gunakan hari ini, setiap bit dapat muncul dalam keadaan bergantian dan langsung pada masa yang sama, dalam pengkomputeran kuantum setiap bit menjadi beberapa keadaan pada saat yang sama. Berkat ini, kami dapat mengurangkan masa yang digunakan oleh algoritma semasa secara eksponensial. Terdapat seni bina yang sangat mirip dengan yang kita miliki sekarang, yang telah sangat berjaya dalam bidang teoritis dan yang realisasinya bergantung pada pelaksanaan komputer kuantum di masa depan.
Para saintis kuantum telah membuat kemajuan teori yang sangat besar dalam menunjukkan bahawa pengurangan sumber daya komputasi yang diperlukan dalam pelaksanaan algoritma dapat dilaksanakan, beberapa di antaranya memerlukan banyak kekuatan pengkomputeran dalam komputer paling maju yang ada sekarang. Beberapa contoh teori yang sangat berjaya yang dikembangkan adalah pencarian faktor utama di atas, atau mencari pangkalan data yang tidak disusun. Asas teori pengkomputeran kuantum didasarkan pada interaksi dunia atom, dan juga implementasi komputer kuantum di masa depan. Di samping itu, ini adalah salah satu kaedah dengan masa depan yang terbaik kerana menawarkan pelbagai persembahan yang luar biasa, dapat menduplikasi peranti penyimpanan paling maju.
5. Ikatan dan teleportasi kuantum
Konsep mekanik kuantum yang mengejutkan adalah konsep yang dikenali sebagai keterlibatan atau keterikatan kuantum di mana dua zarah keadaan tidak diketahui dihubungkan sehingga, tanpa mengira jarak di mana mereka berada, ketika fungsi gelombang salah satu zarah runtuh, keadaan pasangannya yang saling berkaitan akan ditentukan pada tahap yang lebih besar atau lebih kecil, walaupun zarah lain ini berada dalam sistem bebas. Kesan ini akan diterapkan pada qubit, menjadikan nilai yang sebagian dari mereka bergantung pada nilai yang kita perhatikan pada orang lain, memungkinkan kita melakukan "penyaringan" nilai-nilai yang kita bicarakan ini, kerana memerhatikan nilai tertentu dalam daftar akan sepenuhnya menetapkan nilai-nilai yang dapat kita perhatikan. dalam rekod lain yang dihubungkan dengan yang pertama.
Teleportasi kuantum menggunakan prinsip ini, dan memungkinkan kita untuk mengambil maklumat yang mengandungi qubit keadaan tidak diketahui di mana sahaja jauh dari qubit asal, sehingga mengangkut semua maklumat yang mengatakan qubit itu berisi ke qubit lain. Kami akan menggunakan jalinan dua qubit sebagai saluran penghantaran: kami akan mengoperasikan qubit yang ingin kami bawa dengan salah satu qubit yang saling berselang, menyebabkan keruntuhan maklumat kedua-duanya dan memperoleh dua bit klasik bersama dengan qubit interlaced yang tidak runtuh. Kedua bit klasik itu kini dapat dikendalikan bersama dengan qubit interleaved, yang memungkinkan kita mengembalikan maklumat yang mengandungi qubit yang akan dibawa. Ini membolehkan kami menghantar maklumat yang mengandungi qubit status yang tidak diketahui ke lokasi lain,tanpa kehilangan maklumat dan tanpa risiko bahawa semasa menghantar qubit berinteraksi dengan sistem yang hancur maklumat yang terkandung di dalamnya.
5.1 Contoh aplikasi pengkomputeran kuantum
Dua aplikasi menarik untuk pengkomputeran kuantum ditunjukkan di bawah.
Algoritma Shor untuk memfaktorkan nombor:
Pada masa ini, memfaktorkan bilangan bulat menjadi nombor perdana adalah salah satu cabaran komputasi terbesar yang ada. Algoritma faktorisasi yang terkenal tidak menyelesaikan masalah dalam masa yang boleh diterima, mereka mempunyai kecekapan (O (e ^ (a * log (a)))), dengan n ukuran dalam bilangan nombor, dan hasil praktikal terakhir diperolehi pengiraan selama 18 bulan (dalam 50 tahun "masa pengkomputeran") untuk memperhitungkan sejumlah 200 angka.
Ini digunakan dalam bidang enkripsi, untuk membuat kunci yang melibatkan mengetahui faktor-faktor sebilangan besar yang akan didekripsi.
Dalam kes ini, pengkomputeran kuantum menjanjikan hasil yang luar biasa kepada kami, memberikan algoritma kuantum Shor, yang mengubah masalah mencari faktor utama nombor menjadi masalah mencari jangka masa fungsi tertentu, dan kemudian memanfaatkan kelebihan pengiraan kuantum untuk menilai fungsi pada semua titik sekaligus, menjumpai jangka masa fungsi hampir pasti, dan mencapai penjimatan dalam masa pengiraan sehingga mencapai kecekapan (0 (log (〖n)〗 ^ 3)).
Dengan mudah dapat dilihat bagaimana keuntungan dalam kes ini antara algoritma klasik dan algoritma kuantum adalah perbezaan yang tidak menentu.
Algoritma Grover untuk mencari set yang tidak kemas:
Kita dapat mencari satu lagi contoh kelebihan algoritma kuantum dalam algoritma Grover kerana mencari elemen berbanding set yang tidak beratur.
Secara klasiknya, kecekapan pencarian pada set ukuran n yang tidak teratur tentu saja adalah O (n). Algoritma Grover berjaya meningkatkan masa ini menjadi O (√n).
Walaupun keuntungan mungkin tidak begitu mengesankan seperti pada kasus sebelumnya, aplikasi jauh lebih penting kerana ini dapat digunakan untuk mempercepat algoritma apa pun yang sebagian atau sepenuhnya berdasarkan pencarian menyeluruh pada set kemungkinan solusi.
Shor vs Alg. Klasik
Shor vs Alg. Klasik
Ahli sains
Hypercomputers (Beyond Turing).
Paul Benioff, Richard Feynman, David Deutsch, Lov Grove, Seith Lloyd, Michio Kaku, dll.
6. Kelebihan pengkomputeran kuantum
Ringkasnya, kelebihan pengkomputeran kuantum adalah penggunaan aplikasi paralel secara besar-besaran dan kemampuan untuk memberikan penyelesaian baru untuk masalah yang tidak dapat dilindungi oleh pengkomputeran kuantum kerana kos komputasi yang tinggi.
Namun, di sebalik kelebihan yang dinyatakan di atas, komputer kuantum hanya akan berkesan untuk pelbagai tugas tertentu. Ini menunjukkan bahawa akan ada fungsi tertentu di mana ia tidak akan menjadi kelebihan untuk menggunakan teknologi kuantum dibandingkan dengan pengkomputeran klasik semasa.
6.1 Masalah pengkomputeran kuantum
Salah satu halangan utama untuk pengkomputeran kuantum adalah masalah koheren kuantum, yang menyebabkan hilangnya watak kesatuan langkah-langkah algoritma kuantum.
Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.
7. Hardware para computación cuantica
Aun no se ha resuelto el problema de que hardware seria el ideal para la computación cuantica se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo y hay varios candidatos actualmente.
Condiciones a cumplir.
El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
Ha de ser posibles manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas.
El sistema ha de mantener su coherencia cuantica a lo largo del experimento.
Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.
7.1 Transmisión de datos y procesadores
Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2005, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión cuantica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 kilómetros. Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones del 70 %, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con auto corrección.
Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.
En 2004, científicos del instituto de Física aplicada de la universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan la información cuantica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuantica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores que son el corazón de las computadoras actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de cien mil puertas de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano
8. Tipos de computación
- – Computación clásica- ley de Moore.– Computación molecular (nano tecnología).-Más allá de las leyes física clásica. 2020 fin- almacenamiento 3D algunos años más.-Computación cuantica: algoritmos
9. Conclusión
- Fin de la computación clásicaDificultades de la computación cuanticaÁmbito de investigación.Posibles problemas para criptografía.
10. Referencias
- Baila Martínez, S. (2005). Computación Cuantica. http://www.sargue.netAlejo Plana, M.A. (2001). El ordenador cuántico. http://www.um.es/docencia/campoyl/cuantico.PDFSalas Peralta,P.J.(2006). Corrección de errores en ordenadores cuánticos. Revista española de física (Enero- Marzo, 2006).http://www.babab.com/no12/ordenadores.htmhttps://www.youtube.com/watch¿v=sXyCHdEbmcMhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/ordenador-cuantico-apagado.htmlhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/computacion-cuantica.htmlhttp://www.sociedadelainformacion.com/física/ordenadorescuanticos.htmhttp://www.amazings.com/ciencia/noticias/041102ª.html
11. Anexos
Concepto de computación cuántica
