ریاضیات

از ویکی پدیا، دانشنامه آزاد

نمایش کره بلوخ یک کیوبیت. ایالت|ψ〉=α|0〉+β|1〉نقطه ای در سطح کره است، در قسمتی بین قطب ها،|0〉و|1〉.

کامپیوتر کوانتومی کامپیوتری است که از پدیده های مکانیک کوانتومی بهره برداری می کند . در مقیاس‌های کوچک، ماده فیزیکی خواص ذرات و امواج را نشان می‌دهد و محاسبات کوانتومی این رفتار را با استفاده از سخت‌افزار تخصصی اعمال می‌کند. فیزیک کلاسیک نمی‌تواند عملکرد این دستگاه‌های کوانتومی را توضیح دهد، و یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر می‌تواند برخی از محاسبات را به‌طور تصاعدی سریع‌تر [ a ] از هر رایانه مدرن «کلاسیک» انجام دهد. از نظر تئوری یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ می‌تواند برخی از طرح‌های رمزگذاری پرکاربرد را بشکند و به فیزیکدانان در انجام شبیه‌سازی‌های فیزیکی کمک کند . با این حال، وضعیت فعلی هنر تا حد زیادی تجربی و غیر عملی است، با موانع متعددی برای کاربردهای مفید.

واحد اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی، کیوبیت (یا «بیت کوانتومی»)، همان عملکرد بیت را در محاسبات کلاسیک دارد. با این حال، بر خلاف یک بیت کلاسیک، که می‌تواند در یکی از دو حالت (یک باینری ) باشد ، یک کیوبیت می‌تواند در برهم‌نهی دو حالت «پایه» خود وجود داشته باشد، که به‌طور ضعیف به این معنی است که در هر دو حالت به طور همزمان است. هنگام اندازه گیری یک کیوبیت، نتیجه یک خروجی احتمالی یک بیت کلاسیک است. اگر یک کامپیوتر کوانتومی کیوبیت را به روشی خاص دستکاری کند، اثرات تداخل موج می تواند نتایج اندازه گیری مورد نظر را تقویت کند. طراحی الگوریتم های کوانتومی شامل ایجاد رویه هایی است که به کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تا محاسبات را به طور موثر و سریع انجام دهد.

کامپیوترهای کوانتومی هنوز برای کار واقعی عملی نیستند. مهندسی فیزیکی کیوبیت های با کیفیت بالا چالش برانگیز است. اگر یک کیوبیت فیزیکی به اندازه کافی از محیط خود جدا نشده باشد ، دچار ناهمدوسی کوانتومی می شود که نویز را وارد محاسبات می کند . دولت‌های ملی سرمایه‌گذاری زیادی در تحقیقات تجربی انجام داده‌اند که هدف آن توسعه کیوبیت‌های مقیاس‌پذیر با زمان انسجام طولانی‌تر و نرخ خطای کمتر است. نمونه‌هایی از پیاده‌سازی‌ها عبارتند از ابررساناها (که جریان الکتریکی را با حذف مقاومت الکتریکی جدا می‌کنند ) و تله‌های یونی (که یک ذره اتمی را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی محدود می‌کنند ).

در اصل، یک کامپیوتر کلاسیک می‌تواند مشکلات محاسباتی مشابه یک کامپیوتر کوانتومی را با زمان کافی حل کند. مزیت کوانتومی به‌جای محاسبه‌پذیری به شکل پیچیدگی زمانی است ، و نظریه پیچیدگی کوانتومی نشان می‌دهد که برخی از الگوریتم‌های کوانتومی به‌طور تصاعدی کارآمدتر از شناخته‌شده‌ترین الگوریتم‌های کلاسیک هستند. یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ در تئوری می تواند مسائل محاسباتی غیرقابل حل توسط یک کامپیوتر کلاسیک را در هر زمان معقولی حل کند. این مفهوم از توانایی اضافی « برتری کوانتومی » نامیده شده است . در حالی که چنین ادعاهایی توجه قابل توجهی را به این رشته جلب کرده است، موارد استفاده عملی کوتاه مدت محدود باقی مانده است.

تاریخچه

[ ویرایش ]

برای راهنمای زمانی، جدول زمانی محاسبات کوانتومی و ارتباطات را ببینید .

برای سال‌های متمادی، رشته‌های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر جوامع دانشگاهی مجزایی را تشکیل دادند. [ 1 ] نظریه کوانتومی مدرن در دهه 1920 برای توضیح دوگانگی موج-ذره مشاهده شده در مقیاس اتمی توسعه یافت، [ 2 ] و کامپیوترهای دیجیتال در دهه های بعدی به وجود آمدند تا جایگزین کامپیوترهای انسانی برای محاسبات خسته کننده شوند. [ 3 ] هر دو رشته در طول جنگ جهانی دوم کاربرد عملی داشتند . کامپیوترها نقش مهمی در رمزنگاری زمان جنگ داشتند ، [ 4 ] و فیزیک کوانتومی برای فیزیک هسته ای مورد استفاده در پروژه منهتن ضروری بود . [ 5 ]

همانطور که فیزیکدانان مدل های مکانیکی کوانتومی را برای مسائل محاسباتی به کار بردند و بیت های دیجیتال را با کیوبیت ها تعویض کردند ، زمینه های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر شروع به همگرایی کردند. در سال 1980، پل بنیوف ماشین تورینگ کوانتومی را معرفی کرد که از نظریه کوانتومی برای توصیف یک کامپیوتر ساده شده استفاده می کند. [ 6 ] هنگامی که رایانه‌های دیجیتال سریع‌تر شدند، فیزیکدانان هنگام شبیه‌سازی دینامیک کوانتومی با افزایش نمایی در سربار مواجه شدند ، [ 7 ] که یوری مانین و ریچارد فاینمن را بر آن داشت تا به طور مستقل پیشنهاد کنند که سخت‌افزار مبتنی بر پدیده‌های کوانتومی ممکن است برای شبیه‌سازی رایانه‌ای کارآمدتر باشد. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] در مقاله ای در سال 1984، چارلز بنت و ژیل براسارد نظریه کوانتومی را برای پروتکل های رمزنگاری به کار بردند و نشان دادند که توزیع کلید کوانتومی می تواند امنیت اطلاعات را افزایش دهد . [ 11 ] [ 12 ]

سپس الگوریتم‌های کوانتومی برای حل مسائل اوراکل پدیدار شدند ، مانند الگوریتم دویچ در سال 1985، [ 13 ] الگوریتم برنشتاین -وزیرانی در سال 1993، [ 14 ] و الگوریتم سیمون در سال 1994. که فرد می تواند بیشتر به دست آورد اطلاعات با پرس و جو از یک جعبه سیاه با حالت کوانتومی در برهم نهی ، که گاهی اوقات به عنوان موازی کوانتومی شناخته می شود . [ 16 ]

پیتر شور (تصویر اینجا در سال 2017) در سال 1994 نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر می تواند رمزگذاری RSA را بشکند .

پیتر شور این نتایج را با الگوریتم 1994 خود برای شکستن پروتکل های رمزگذاری RSA و Diffie-Hellman که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، [ 17 ] که توجه قابل توجهی را به حوزه محاسبات کوانتومی جلب کرد، بنا کرد. در سال 1996، الگوریتم گروور یک افزایش سرعت کوانتومی را برای مشکل جستجوی بدون ساختار به طور گسترده ای ایجاد کرد . [ 18 ] [ 19 ] در همان سال، ست لوید ثابت کرد که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند سیستم‌های کوانتومی را بدون سربار نمایی موجود در شبیه‌سازی‌های کلاسیک شبیه‌سازی کنند، [ 20 ] که حدس فاینمن در سال 1982 را تأیید کرد. [ 21 ]

در طول سال‌ها، آزمایش‌گران کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کوچک را با استفاده از یون‌های به دام افتاده و ابررساناها ساخته‌اند . [ 22 ] در سال 1998، یک کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیت امکان‌سنجی این فناوری را نشان داد، [ 23 ] [ 24 ] و آزمایش‌های بعدی تعداد کیوبیت‌ها را افزایش داده و نرخ خطا را کاهش داد. [ 22 ]

در سال 2019، هوش مصنوعی گوگل و ناسا اعلام کردند که با یک ماشین 54 کیوبیتی به برتری کوانتومی دست یافته اند و محاسباتی را انجام می دهند که برای هر کامپیوتر کلاسیک غیرممکن است. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] با این حال، اعتبار این ادعا هنوز به طور فعال در حال تحقیق است. [ 28 ] [ 29 ]

در دسامبر 2023، فیزیکدانان، برای اولین بار، درهم تنیدگی مولکول های منفرد را گزارش کردند که ممکن است کاربردهای قابل توجهی در محاسبات کوانتومی داشته باشد. [ 30 ]