Κβαντικός υπολογιστής
Ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ένα μοντέλο για το πώς να κατασκευάσει κανείς έναν υπολογιστή. Η ιδέα είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιούν ορισμένα φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής, όπως η υπέρθεση και η διεμπλοκή, για να εκτελούν πράξεις σε δεδομένα. Η βασική αρχή πίσω από τους κβαντικούς υπολογισμούς είναι ότι οι κβαντικές ιδιότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση δεδομένων και την εκτέλεση πράξεων σε αυτά. Ένα θεωρητικό μοντέλο είναι η κβαντική μηχανή Turing, γνωστή και ως καθολικός κβαντικός υπολογιστής.
Η ιδέα της κβαντικής πληροφορικής είναι ακόμη πολύ νέα. Έχουν γίνει πειράματα. Σε αυτά, ένας πολύ μικρός αριθμός πράξεων έγινε σε qubits (κβαντικά bit). Τόσο η πρακτική όσο και η θεωρητική έρευνα συνεχίζεται με ενδιαφέρον, και πολλοί εθνικοί κυβερνητικοί και στρατιωτικοί φορείς χρηματοδότησης υποστηρίζουν την έρευνα κβαντικών υπολογιστών για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών τόσο για πολιτικούς όσο και για στρατιωτικούς σκοπούς, όπως η κρυπτανάλυση.
Οι σημερινοί υπολογιστές, οι λεγόμενοι "κλασικοί" υπολογιστές, αποθηκεύουν τις πληροφορίες σε δυαδικό σύστημα- κάθε bit είναι είτε ενεργοποιημένο είτε απενεργοποιημένο. Οι κβαντικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούν qubits, τα οποία, εκτός από το να είναι ενδεχομένως ενεργοποιημένα ή απενεργοποιημένα, μπορούν να είναι και ενεργοποιημένα και απενεργοποιημένα, πράγμα που αποτελεί έναν τρόπο περιγραφής της υπέρθεσης, μέχρι να γίνει μια μέτρηση. Η κατάσταση ενός κομματιού δεδομένων σε έναν κανονικό υπολογιστή είναι γνωστή με βεβαιότητα, αλλά ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί πιθανότητες. Έχουν κατασκευαστεί μόνο πολύ απλοί κβαντικοί υπολογιστές, αν και έχουν εφευρεθεί μεγαλύτερα σχέδια. Ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί ένα ειδικό είδος φυσικής, την κβαντική φυσική.
Αν μπορέσουν να κατασκευαστούν κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας, θα είναι σε θέση να επιλύουν ορισμένα προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από οποιονδήποτε υπολογιστή που υπάρχει σήμερα (όπως ο αλγόριθμος του Shor). Οι κβαντικοί υπολογιστές διαφέρουν από άλλους υπολογιστές, όπως οι υπολογιστές DNA και οι παραδοσιακοί υπολογιστές που βασίζονται σε τρανζίστορ. Ορισμένες υπολογιστικές αρχιτεκτονικές, όπως οι οπτικοί υπολογιστές, μπορεί να χρησιμοποιούν την κλασική υπέρθεση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Χωρίς κβαντομηχανικούς πόρους, όπως η διεμπλοκή, οι άνθρωποι πιστεύουν ότι ένα εκθετικό πλεονέκτημα έναντι των κλασικών υπολογιστών δεν είναι δυνατό. Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν μπορούν να εκτελέσουν λειτουργίες που δεν είναι θεωρητικά υπολογίσιμες από κλασικούς υπολογιστές, με άλλα λόγια δεν αλλάζουν τη θέση Church-Turing. Θα μπορούσαν, ωστόσο, να κάνουν πολλά πράγματα πολύ πιο γρήγορα και αποτελεσματικά.
Η σφαίρα Bloch είναι η αναπαράσταση ενός qubit, του θεμελιώδους δομικού στοιχείου των κβαντικών υπολογιστών.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής;
A: Ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ένα μοντέλο για τον τρόπο κατασκευής ενός υπολογιστή που χρησιμοποιεί ορισμένες ιδέες από την κβαντική μηχανική, όπως η υπέρθεση και η διεμπλοκή, για να εκτελεί λειτουργίες σε δεδομένα.
Ερ: Πώς διαφέρει από τους κλασικούς υπολογιστές;
Α: Οι κλασικοί υπολογιστές αποθηκεύουν τις πληροφορίες σε δυαδικό σύστημα- κάθε bit είναι είτε ενεργοποιημένο είτε απενεργοποιημένο. Οι κβαντικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούν qubits, τα οποία μπορούν να είναι τόσο ενεργοποιημένα όσο και απενεργοποιημένα μέχρι να γίνει μια μέτρηση. Η κατάσταση ενός κομματιού δεδομένων σε έναν κανονικό υπολογιστή είναι γνωστή με βεβαιότητα, αλλά οι κβαντικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούν πιθανότητες.
Ερ: Ποιες είναι ορισμένες πιθανές εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών;
Α: Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την κρυπτανάλυση (σπάσιμο κωδικών) και την επίλυση προβλημάτων πολύ πιο γρήγορα από οποιονδήποτε σημερινό υπολογιστή (όπως ο αλγόριθμος του Shor).
Ερ: Υπάρχουν άλλοι τύποι υπολογιστών εκτός από τους κβαντικούς υπολογιστές;
Α: Ναι, υπάρχουν και άλλα είδη υπολογιστών, όπως οι υπολογιστές DNA και οι παραδοσιακοί υπολογιστές που βασίζονται σε τρανζίστορ. Ορισμένες υπολογιστικές αρχιτεκτονικές, όπως οι οπτικοί υπολογιστές, μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν την κλασική υπέρθεση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Ερ: Ισχύει η θέση Church-Turing για τους κβαντικούς υπολογιστές;
Α: Ναι, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν μπορούν να εκτελέσουν λειτουργίες που δεν είναι θεωρητικά υπολογίσιμες από κλασικούς υπολογιστές- δεν μεταβάλλουν τη θέση Church-Turing. Ωστόσο, θα μπορούσαν να κάνουν πολλά πράγματα πολύ πιο γρήγορα και αποτελεσματικά από τους κλασικούς υπολογιστές.
Ερ: Έχει επιτευχθεί ακόμη κβαντικός υπολογισμός μεγάλης κλίμακας;
Α: Όχι, έχουν γίνει μόνο πολύ απλά πειράματα με qubits (κβαντικά bits), αν και έχουν εφευρεθεί μεγαλύτερα σχέδια. Η πρακτική και θεωρητική έρευνα συνεχίζεται με ενδιαφέρον προκειμένου να αναπτυχθούν δυνατότητες κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας για πολιτικούς και στρατιωτικούς σκοπούς.
