คิวบิต การซ้อนทับ การพัวพัน ประตูควอนตัม การแก้ไขข้อผิดพลาด อัลกอริธึม แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ การเข้ารหัส และขีดจำกัดในทางปฏิบัติ
การคำนวณควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นแนวทางคอมพิวเตอร์ที่ใช้ระบบกลไกควอนตัมเป็นตัวพาข้อมูล กำลังได้รับการพัฒนาสำหรับปัญหาที่ในที่สุดคิวบิตที่ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังอาจช่วยในเรื่องการจำลอง การเพิ่มประสิทธิภาพ เคมี วัสดุ และงานที่เกี่ยวข้องกับการเข้ารหัส
การคำนวณควอนตัมคืออะไร
คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ระบบทางกายภาพที่ควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัมในการประมวลผลข้อมูล แทนที่จะจัดเก็บเฉพาะบิตคลาสสิก ตัวประมวลผลควอนตัมใช้คิวบิตที่สามารถจัดเตรียม เปลี่ยนรูป พันกัน และวัดได้ ผลลัพธ์ไม่ใช่ความเร็วมหัศจรรย์สำหรับการประมวลผลทั้งหมด แต่เป็นโมเดลที่แตกต่างกันซึ่งมีประสิทธิภาพสำหรับปัญหาที่มีโครงสร้างบางอย่าง
บิตและคิวบิต
บิตคลาสสิกจะอ่านเป็น 0 หรือ 1 ควิบิตอธิบายด้วยสถานะควอนตัมที่สามารถเกี่ยวข้องกับแอมพลิจูดสำหรับ 0 และ 1 ก่อนการวัด เมื่อวัดแล้ว qubit จะให้ผลลัพธ์แบบคลาสสิก พฤติกรรมที่เป็นประโยชน์มาจากการควบคุมคิวบิตจำนวนมากด้วยเกต เพื่อให้การวัดขั้นสุดท้ายมีแนวโน้มที่จะเปิดเผยคำตอบของปัญหาที่ออกแบบมาอย่างระมัดระวัง
การซ้อนทับและการพัวพัน
การซ้อนทับหมายถึงสถานะควอนตัมสามารถรวมความเป็นไปได้ในแบบที่บิตธรรมดาไม่สามารถทำได้ ความพัวพันเชื่อมโยงสถานะของ qubits เพื่อไม่ให้ทั้งระบบไม่สามารถอธิบายเป็นชิ้นส่วนที่เป็นอิสระได้ อัลกอริธึมควอนตัมใช้เอฟเฟกต์เหล่านี้ร่วมกับการรบกวน โดยที่แอมพลิจูดสามารถเสริมผลลัพธ์ที่เป็นประโยชน์และยกเลิกผลลัพธ์ที่ไม่มีประโยชน์ได้
ประตูควอนตัมและวงจร
คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำนวนมากได้รับการตั้งโปรแกรมเป็นวงจร วงจรใช้ควอนตัมเกตกับคิวบิต คล้ายกับโปรแกรมคลาสสิกที่ใช้การดำเนินการกับบิต ประตูหมุนสถานะ สร้างความพันกัน และเตรียมการวัด วงจรนามธรรมเดียวกันอาจถูกรวบรวมแตกต่างกันสำหรับวงจรตัวนำยิ่งยวด ไอออนที่ติดอยู่ อะตอมที่เป็นกลาง โฟตอน หรือฮาร์ดแวร์อื่นๆ
แนวทางฮาร์ดแวร์
นักวิจัยกำลังติดตามเทคโนโลยีควิบิตหลายอย่าง วงจรตัวนำยิ่งยวดต้องใช้ระบบไครโอเจนิกส์ ไอออนที่ติดอยู่จะใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อกักเก็บอะตอมที่มีประจุ อะตอมที่เป็นกลาง โฟตอน สปินคิวบิต และแพลตฟอร์มอื่นๆ ต่างก็มีจุดแข็งที่แตกต่างกัน ไม่มีแนวทางใดสามารถแก้ปัญหาความต้องการด้านขนาด การควบคุม ความเร็ว การเชื่อมต่อ และอัตราข้อผิดพลาดต่ำได้ทั้งหมด
ข้อผิดพลาดและการแก้ไข
ข้อมูลควอนตัมมีความละเอียดอ่อน ความร้อน สนามเร่ร่อน ประตูที่ไม่สมบูรณ์ ข้อผิดพลาดในการวัด และการโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมสามารถรบกวนการคำนวณได้ การแก้ไขข้อผิดพลาดพยายามปกป้องคิวบิตเชิงตรรกะโดยการแพร่กระจายข้อมูลไปยังคิวบิตจริงจำนวนมาก แต่การดำเนินการนี้ในวงกว้างต้องใช้ความก้าวหน้าอย่างมากในด้านฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และวิศวกรรม
มันอาจจะมีประโยชน์สำหรับอะไร
การใช้งานที่น่าหวัง ได้แก่ การจำลองระบบควอนตัมในวิชาเคมีและวัสดุศาสตร์ การสำรวจวิธีการปรับให้เหมาะสมบางประการ การปรับปรุงงานสุ่มตัวอย่างบางอย่าง และในที่สุดการเรียกใช้อัลกอริธึมที่ส่งผลต่อการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ การใช้งานที่มีประโยชน์ส่วนใหญ่ยังคงต้องมีการตรวจสอบอย่างรอบคอบ และเครื่องจักรระยะใกล้จำนวนมากยังคงถูกจำกัดด้วยสัญญาณรบกวนและขนาด
ทำไมมันถึงสำคัญ
การประมวลผลแบบควอนตัมมีความสำคัญเนื่องจากจะขยายความหมายของการคำนวณ โดยเชื่อมโยงฟิสิกส์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์เข้าด้วยกัน และมีอิทธิพลต่อการวางแผนการเข้ารหัสและเครื่องมือวิจัยใหม่ๆ อยู่แล้ว ความสำคัญไม่เพียงแต่ในเครื่องจักรในอนาคตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงมาตรฐาน อัลกอริธึม วัสดุ และการเตรียมการด้านความปลอดภัยที่ถูกสร้างขึ้นโดยรอบด้วย