โลกแห่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ยุ่งเหยิง

โลกแห่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ยุ่งเหยิง

jumbo jili

ความคิดแปลกๆ อาจมาจากสถานที่ธรรมดาๆ อันนี้มาจากเท็กซัส ในปี 1981 จอห์น เอ. วีลเลอร์ บิดาแห่งหลุมดำและนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเทกซัสในออสติน จัดงานเลี้ยง แขกรับเชิญคือนักฟิสิกส์รุ่นเยาว์ที่มีความสนใจร่วมกันในพื้นฐานของการคำนวณ ซึ่งเป็นหัวข้อที่ Wheeler เชื่ออย่างถูกต้องว่า จะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในปีต่อๆ ไป

สล็อต

ในงานปาร์ตี้นี้เองที่การสนทนากับ Charles Bennett นักฟิสิกส์ของ IBM ได้จุดประกายความคิดในใจของ David Deutsch นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด มันทำให้เขารู้สึกว่าทฤษฎีคอมพิวเตอร์มีพื้นฐานมาจากกฎของนิวตัน ไม่ใช่คำอธิบายพื้นฐานของจักรวาลที่มาจากทฤษฎีควอนตัม
ในขณะนั้น อุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์เริ่มวิตกกังวลกับอนาคตของไมโครชิป ในท้ายที่สุดจะคำนวณได้กี่ครั้งต่อวินาที ความร้อนจะออกมามากแค่ไหน และซิลิกอนจะรอดจากการอบอย่างต่อเนื่องหรือไม่ เพื่อช่วยพวกเขา นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์หันไปใช้ทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดย Alan Turing ผู้บุกเบิกในสาขาของตน แต่ในงานปาร์ตี้ของ Wheeler Deutsch กล่าว “ฉันเห็นได้ทันทีว่าการใช้กฎหมาย [ของกลศาสตร์ควอนตัม] จะให้คำตอบที่ต่างออกไป”
Deutsch เริ่มทำงานบนกระดาษที่ปัจจุบันถือว่าคลาสสิกในภาคสนาม ตีพิมพ์ในปี 1985 อธิบายว่าคอมพิวเตอร์ทำงานโดยใช้กฎแปลก ๆ ของกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างไร และเหตุใดคอมพิวเตอร์ดังกล่าวจึงแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปโดยพื้นฐาน
สิบห้าปีต่อมา การปฏิวัติที่ Deutsch เริ่มต้นขึ้นได้ขยายไปถึงระดับโลกแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ถูกมองว่าเป็นสิ่งที่อยากรู้อยากเห็นอีกต่อไป แต่เป็นอนาคตอันทรงพลังของอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ และการโต้เถียงก็เปลี่ยนจากการที่พวกเขาจะกลายเป็นความจริงเมื่อพวกเขาจะทำเช่นนั้น ความตื่นเต้นไม่ได้เกิดจากพลังของมัน ถึงแม้ว่าพวกเขาจะมีพลังมากกว่ารุ่นปัจจุบันอย่างไม่ต้องสงสัย จุดขายที่สำคัญของพวกเขา แอพนักฆ่า หากคุณต้องการคือ พวกเขาสามารถแก้ปัญหาและดำเนินการจำลองสถานการณ์ที่โดยทั่วไปแล้วจะเป็นไปไม่ได้ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป
นั่นคือศักยภาพของอุปกรณ์เหล่านี้ ซึ่งรายชื่อบริษัทที่ให้ทุนสนับสนุนโครงการวิจัย ดูเหมือนธุรกิจโทรคมนาคมและคอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก ได้แก่ IBM, Hewlett-Packard, Lucent Technologies, AT&T และ Microsoft มีแม้กระทั่งบริษัทสตาร์ทอัพในนครนิวยอร์กที่เรียกว่า MagiQ Technologies ซึ่งหวังว่าจะสร้างรายได้ด้วยการพัฒนาทรัพย์สินทางปัญญาในสาขานี้
แรงผลักดันที่แข็งแกร่งที่สุดประการหนึ่งที่ขับเคลื่อนการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือความกลัวที่พวกเขาจะถอดรหัสได้อย่างง่ายดายด้วยรหัสลับที่คอมพิวเตอร์เครื่องอื่นไม่สามารถป้องกันได้ ระฆังเตือนเริ่มดังขึ้นในปี 1994 เมื่อ Peter Shor จาก Bell Laboratories ของ AT&T ในรัฐนิวเจอร์ซีย์แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นเร็วกว่าพี่น้องทั่วไปมากในเรื่องการแยกตัวประกอบ
การหาปัจจัยจำนวนมากเป็นเรื่องยากสำหรับคอมพิวเตอร์ทั่วไป ซึ่งผู้ผลิตโค้ดต้องพึ่งพาจุดอ่อนของตนเพื่อปกป้องข้อมูลที่ละเอียดอ่อน ด้วยการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม รหัสเหล่านี้จะล้าสมัย ทันทีที่เปิดคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดพอเหมาะเครื่องแรก รัฐบาลและกองทัพของพวกเขาจะถูกบังคับให้ยอมรับว่ารหัสจำนวนมากของพวกเขาไม่ปลอดภัย เป็นที่เข้าใจได้ว่าพวกเขากระตือรือร้นที่จะค้นหาว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำอะไรได้บ้าง และห้องปฏิบัติการระดับชาติหลายแห่งได้เริ่มโครงการมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งสหรัฐอเมริกาในโบลเดอร์ โคโล; ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos ในนิวเม็กซิโก; และหน่วยงานเทียบเท่าของสหราชอาณาจักร สำนักงานประเมินและวิจัยกลาโหมในมัลเวิร์น
นอกเหนือจากคำมั่นสัญญาในการจารกรรมแล้ว ยังมีฟิสิกส์ใหม่ที่เปิดเผยเกือบทุกวันโดยนักวิทยาศาสตร์ที่พยายามทำความเข้าใจข้อมูลควอนตัมและวิธีการควบคุม คอมพิวเตอร์ควอนตัมกลายเป็นห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่นักวิทยาศาสตร์สามารถทดสอบทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างแม่นยำมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา ทีมที่แข็งแกร่งที่สุดในโลกที่ทำการค้นพบดังกล่าวคือที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด กลุ่มเล็กๆ มีอยู่ในสถานที่ต่างๆ เช่น MIT, Caltech และกลุ่มมหาวิทยาลัยในออสเตรเลีย โดยมีบุคคลที่มีอิทธิพลกระจายอยู่ทั่วสหรัฐอเมริกา ยุโรป และอิสราเอล หลังจากเริ่มต้นสาย ญี่ปุ่นได้เริ่มพยายามร่วมกันเพื่อให้ทัน
สถานะการหมุนสามารถสร้าง Qubits ได้อย่างไร:การหมุนของอนุภาคในสนามแม่เหล็ก DC นั้นคล้ายคลึงกับการหมุนรอบแกนที่อยู่รอบแกนของสนาม ในสาขาดังกล่าว อนุภาคถือว่าสถานะใดสถานะหนึ่งจากสองสถานะ หมุนขึ้นหรือหมุนลง ซึ่งสามารถแทนค่า 0 และ 1 ในตรรกะดิจิทัล อนุภาคที่อยู่ในสถานะสปินหนึ่งสามารถผลักเข้าหากันโดยพัลส์ความถี่วิทยุที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ชีพจรของความถี่และระยะเวลาที่เหมาะสมจะพลิกการหมุนอย่างสมบูรณ์ [บนสุด] ชีพจร RF ที่สั้นลงจะทำให้การหมุนกลายเป็นการทับซ้อนของสถานะขึ้นและลง [ด้านล่าง] ทำให้สามารถคำนวณทั้งสองสถานะพร้อมกันได้
ข้อมูลควอนตัม
ข้อมูลดิจิทัลดูเหมือนเป็นเรื่องธรรมดา รหัสไบนารี 0 และ 1 สามารถวัด คัดลอก และเคลื่อนย้ายได้อย่างง่ายดาย แต่กำหนดข้อมูลชิ้นหนึ่งให้กับอนุภาคควอนตัม และใช้ลักษณะแปลกประหลาดของโลกควอนตัม หน่วยพื้นฐานของข้อมูลควอนตัมนี้เรียกว่าควอนตัมบิตหรือ qubit (ออกเสียงคิวบิต) และค่อนข้างแตกต่างจากคู่แบบคลาสสิก
สำหรับการเริ่มต้น qubit สามารถเป็นได้ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน ใช้การหมุนของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สามารถจินตนาการได้ว่าเป็นการหมุนของยอดที่มีแกนชี้ขึ้นหรือลง [ดูรูปที่ด้านบน} การหมุนขึ้นหรือลงสามารถสอดคล้องกับ 0 หรือ 1 แต่อิเล็กตรอนยังสามารถถูกวางไว้ในการดำรงอยู่คู่ที่น่ากลัวซึ่งเรียกว่าการซ้อนทับของรัฐซึ่งมีทั้งขึ้นและลงเป็น 0 และ 1 ที่ ในเวลาเดียวกัน. ทำการคำนวณโดยใช้อิเล็กตรอน และคุณทำพร้อมกันทั้ง 0 และ 1 การคำนวณสองครั้งในราคาหนึ่ง
เมื่อมองแวบแรก นี่อาจดูไม่น่าประทับใจ แต่เพิ่ม qubits เพิ่มเติมและตัวเลขจะโน้มน้าวใจมากขึ้น ในขณะที่ 1 qubit สามารถอยู่ใน superposition ของสองสถานะ 0 และ 1 สอง qubits สามารถอยู่ใน superposition ของสี่สถานะได้ -00, 01, 10 และ 11 ซึ่งแสดงถึงตัวเลขสี่ตัวในคราวเดียว การเพิ่มขึ้นเป็นแบบทวีคูณ: ด้วย m qubits เป็นไปได้ที่จะทำการคำนวณเดี่ยวกับตัวเลข2 ม.แบบขนาน ด้วยเวลาเพียงไม่กี่ร้อย qubits จึงเป็นไปได้ที่จะแสดงจำนวนมากกว่าที่มีอะตอมในจักรวาลพร้อมๆ กัน

สล็อตออนไลน์

อัลกอริทึม การพัวพัน และการแก้ไขข้อผิดพลาด
แน่นอน เมื่อคำนวณเสร็จแล้ว ก็ต้องได้คำตอบ การวัดอย่างง่ายจะทำลายการซ้อนทับ โดยปล่อยให้ระบบอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง น่าเสียดายที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะระบุล่วงหน้าว่าสถานะนี้จะเป็นอย่างไร และนั่นก็เป็นปัญหา เป้าหมายคือเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดสร้างคำตอบที่น่าสนใจ และสามารถเข้าถึงได้โดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ของการรบกวนควอนตัม แต่ละสถานะซ้อนทับมีความน่าจะเป็นที่เกี่ยวข้องกับมันซึ่งมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น – มันสามารถแทรกแซงความน่าจะเป็นของรัฐอื่น ๆ อย่างทำลายล้างหรือสร้างสรรค์ การได้คำตอบที่ต้องการในการคำนวณหมายถึงการประมวลผลข้อมูลในลักษณะที่วิธีแก้ปัญหาที่ไม่ต้องการเข้าไปแทรกแซงการทำลายล้าง เหลือเพียงสถานะที่ต้องการ หรือสถานะที่ต้องการไม่มากก็น้อยในตอนท้าย กระบวนการนี้เรียกว่าอัลกอริทึมควอนตัม และการออกแบบนั้นท้าทายนักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ การวัดขั้นสุดท้ายจะให้คำตอบที่ต้องการ หรือในกรณีของสถานะสุดท้ายสองสามชุด ชุดของการวัดจะให้การแจกแจงความน่าจะเป็นซึ่งสามารถคำนวณคำตอบที่ต้องการได้
อัลกอริธึมควอนตัมมีศักยภาพที่จะเร็วกว่าอัลกอริธึมทั่วไปอย่างมาก ตัวอย่างที่ดีคืออัลกอริธึมสำหรับการค้นหาผ่านรายการที่พัฒนาโดย Lov Grover ที่ Bell Laboratories ของ Lucent Technologies ใน Murray Hill รัฐนิวเจอร์ซี ปัญหาคือการหาชื่อของบุคคลในสมุดโทรศัพท์โดยให้หมายเลขโทรศัพท์ของเขาหรือเธอ หากไดเร็กทอรีมี N รายการ โดยเฉลี่ยแล้ว คุณจะต้องค้นหาผ่านรายการ N/2 ก่อนจึงจะพบ อัลกอริทึมควอนตัมของ Grover ทำได้ดีกว่า ค้นหาชื่อหลังจากค้นหาผ่านรายการ (ตรวจสอบ) เท่านั้นโดยเฉลี่ย ดังนั้นสำหรับไดเร็กทอรีที่มีชื่อ 10,000 ชื่อ งานจะต้องมี (ตรวจสอบ)(10 000) = 100 ขั้นตอน แทนที่จะเป็น 5000 อัลกอริธึมทำงานโดยสร้างการทับซ้อนของรายการทั้งหมด 10,000 รายการก่อน โดยที่แต่ละรายการมีโอกาสปรากฏเท่ากันในการตอบสนองต่อการวัดที่ทำบนระบบ จากนั้น เพื่อเพิ่มความน่าจะเป็นของการวัดที่สร้างรายการที่ต้องการ การทับซ้อนอยู่ภายใต้ชุดของการดำเนินการควอนตัมที่รับรู้รายการที่ต้องการและเพิ่มโอกาสในการปรากฏ (จำไว้ว่าการจดจำนั้นเป็นไปได้เพราะคุณมีหมายเลขโทรศัพท์แต่ไม่มีชื่อ)

jumboslot

อนุภาคที่พันกัน:ถ้าอนุภาคสองอนุภาค ทั้งสองอยู่ในสถานะซ้อนทับกัน การวัดหนึ่งแรงทั้งสองจะสมมติสถานะเสริม
การกำหนดเงื่อนไข การ
เชื่อมโยงกัน/การถอดรหัส:ความสามารถของระบบควอนตัมในการรักษาสถานะซ้อนทับกัน Decoherence เป็นกระบวนการที่ปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมทำลายการทับซ้อน บังคับให้ระบบอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง
สิ่งกีดขวาง:สถานะที่ระบบควอนตัมสองระบบในสถานะที่ไม่แน่นอนเชื่อมโยงกันเพื่อให้การวัดหรือจัดการระบบหนึ่งระบบจัดการระบบที่สองในทันที
Qubit:หน่วยข้อมูลที่ใช้ในการคำนวณควอนตัม มันแตกต่างจากบิตธรรมดาที่สามารถเข้ารหัสการทับซ้อนของค่าได้
สปิน:คุณสมบัติทางกลควอนตัมของอนุภาค ซึ่งในบางกรณีสามารถรับค่าที่ไม่เกิดร่วมกันได้เพียงสองค่าเท่านั้น มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์
การซ้อน:หากระบบทางกายภาพเช่นอนุภาคสามารถพบได้ในสถานะมากกว่าหนึ่งสถานะและไม่ทราบสถานะของระบบ ระบบนั้นมีอยู่ในการซ้อนทับของสถานะเหล่านั้น กล่าวคือ ถ้ามีสถานะที่เป็นไปได้สองสถานะ ระบบสามารถกล่าวได้ว่ามีอยู่ทั้งสองสถานะพร้อมกันจนกว่าจะมีการวัดสถานะของระบบจริง การวัดดังกล่าวทำให้ระบบยุบลงในสถานะใดสถานะหนึ่ง
เทเลพอร์ต:การสื่อสารระหว่างสองฝ่ายโดยใช้อนุภาคพัวพัน โดยการพัวพันสถานะของอนุภาคหนึ่งสามารถถ่ายโอนไปยังอนุภาคอื่นที่อยู่ห่างไกลซึ่งเข้าไปพัวพัน
สถานะการสั่นสะเทือน:สถานะเชิงปริมาณของการเคลื่อนที่รวมของไอออนในกับดักไอออนเชิงเส้น สถานะการสั่นสะเทือนสามารถเข้ารหัส qubit และใช้เพื่อเชื่อมโยงไอออนระหว่างการคำนวณ
ราวกับว่าค่าซ้อนทับและคลื่นความน่าจะเป็นไม่ได้ขัดกับสัญชาตญาณเพียงพอ ปรากฏการณ์แปลกอีกประการหนึ่งก็ปรากฏให้เห็นเด่นชัดในศาสตร์ใหม่ของข้อมูลควอนตัม ในช่วงทศวรรษที่ 30 นักวิทยาศาสตร์ได้โต้เถียงกันอย่างดุเดือดว่ากลศาสตร์ควอนตัมที่ทำนายไว้นั้นมีอยู่จริงหรือไม่ หรือว่าความแปลกประหลาดนั้นเกิดจากความบกพร่องในทฤษฎี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Albert Einstein ไม่สามารถเชื่อได้ว่าจักรวาลถูกสร้างขึ้นตามที่กลศาสตร์ควอนตัมอ้าง ดังนั้น ร่วมกับเพื่อนร่วมงานของเขา Boris Podolsky และ Nathan Rosen เขาได้คิดค้นการทดลองทางความคิดเพื่อค้นหาช่องโหว่ในทฤษฎีใหม่
การทดลองทางความคิดมุ่งเน้นไปที่พฤติกรรมของอนุภาคคู่หนึ่งซึ่งตามทฤษฎีควอนตัม ถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันอย่างลึกซึ้งซึ่งไม่มีความคล้ายคลึงกันในโลกคลาสสิก Prod one และดูเหมือนว่าอีกคนหนึ่งรู้สึกถึงอิทธิพลทันทีไม่ว่าจะอยู่ไกลแค่ไหน [ดูรูปด้านบน] นักวิทยาศาสตร์สามคนชี้ให้เห็นว่ากระบวนการนี้จะต้องเกี่ยวข้องกับสัญญาณที่เร็วกว่าแสงที่ส่งผ่านระหว่างอนุภาคซึ่งเป็นไปไม่ได้ ข้อสรุปของพวกเขากลายเป็นที่รู้จักในนาม EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) ความขัดแย้งและอนุภาคที่พันกันเป็นคู่ EPR
การอภิปรายได้รับการแก้ไขโดย John Bell นักทฤษฎีที่ CERN ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของยุโรปสำหรับฟิสิกส์อนุภาคใกล้เจนีวา และนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alain Aspect พวกเขาพิสูจน์ว่าแฝดสยามของโลกควอนตัม คู่ EPR มีพฤติกรรมในทางที่กลศาสตร์ควอนตัมทำนายไว้จริงๆ อย่างไรก็ตาม การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าไม่มีสัญญาณที่เร็วกว่าแสงและการพัวพันนั้นไม่สามารถใช้สำหรับการสื่อสารแบบ superluminal ได้ แทนที่จะสื่อสารกัน คู่ EPR มีการดำรงอยู่เหมือนกัน โชคชะตาเดียวกัน ถ้าคุณต้องการ การพัวพันเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์สำคัญที่ใช้ประโยชน์จากการประมวลผลข้อมูลควอนตัม ปัจจุบันมีการทดลอง EPR เกือบทุกวันทั่วโลก

slot

หากการสร้างสิ่งกีดขวางและการซ้อนทับกลายเป็นเหตุการณ์ธรรมดาเมื่อเทียบกับเมื่อ 10 ปีที่แล้ว ข้อมูลควอนตัมยังคงเป็นสิ่งที่เปราะบาง ปฏิสัมพันธ์ทั่วไปกับสิ่งแวดล้อมจะทำลาย qubits และข้อมูลที่มีอยู่ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการถอดรหัส (ตรงกันข้าม ความสอดคล้องกัน คือความสามารถของ qubit ในการรักษาคุณลักษณะของควอนตัมเช่นการซ้อนทับ) หากข้อมูลควอนตัมถูกส่งผ่านเข้าสู่โลกแห่งวิทยาการคอมพิวเตอร์ จำเป็นต้องมีกระบวนการแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อป้องกันการถอดรหัส (ดูการกำหนดข้อกำหนด ซ้าย].

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , . Bookmark the permalink.