بازگشت به آینده: بازبینی محاسبات کوانتومی 25 سال بعد

بیش از 25 سال پیش، در حدود سال 1999، مقاله ای در مورد آینده محاسبات کوانتومی نوشتم که در بخش علوم یک روزنامه چاپی در آرژانتین منتشر شد.

شما می توانید از اینجا (به زبان اسپانیایی) به اصل مقاله دسترسی داشته باشید و با دنبال کردن این لینک ، ترجمه خودکار آن را مشاهده کنید.

مقاله من در آن زمان کاملاً حدس و گمان بود.

امروزه محاسبات کوانتومی در بحث‌های فناوری جذابیت و اهمیت زیادی پیدا کرده است.

TL;DR: من محاسبات کوانتومی را در پنج سطح برای مخاطبان مختلف توضیح خواهم داد.

کودک

یک کامپیوتر کوانتومی مانند یک جعبه جادویی فوق هوشمند است.

به جای استفاده از بیت های معمولی مانند کامپیوترهای معمولی ، از بیت های جادویی خاصی به نام کیوبیت استفاده می کند.

این کیوبیت ها می توانند ترفندهای بیشتری نسبت به بیت های معمولی انجام دهند.

تصور کنید در حال بازی با یک فرفره هستید. کیوبیت مانند فرفره ای است که می تواند چندین ترفند را همزمان انجام دهد.

این کامپیوترهای جادویی ممکن است روزی به حل پازل های غیرممکن 100000 تکه ای کمک کنند.

نوجوان

تصویری که می توانید با بلوک های ساختمانی خاص که در بسیاری از مکان ها به طور همزمان استفاده می شوند بازی کنید.

کامپیوترهای کوانتومی از چیزی مشابه به نام کیوبیت استفاده می کنند.

به یک سکه جادویی فکر کنید که می تواند همزمان سر و دم باشد!

یک کیوبیت می تواند 0، 1 یا هر دو باشد، مانند سکه ای که در هوا می چرخد. به یکباره

این به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می دهد تا بسیاری از احتمالات را به طور همزمان بررسی کنند.

کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند هستند زیرا می توانند کدهای مخفی مانند رمزهای عبور شخصی را بشکنند.

مثل داشتن یک ماشین حساب فوق العاده قدرتمند است که می تواند معماهای واقعا سخت را خیلی سریعتر از رایانه های معمولی حل کند.

دانشجوی کالج

یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی کار می کند).

به جای بیت های کلاسیک، از کیوبیت هایی استفاده می کنید که در حالت برهم نهی کوانتومی وجود دارند.

هر کیوبیت می تواند هر دو 0 و 1 را به طور همزمان نشان دهد و محاسبات موازی عظیم را ممکن می کند.

می توانید به گربه شرودینگر فکر کنید - یک آزمایش فکری معروف که در آن یک گربه می تواند همزمان زنده و مرده باشد.

کیوبیت ها با قرار گرفتن در چندین حالت به طور همزمان به طور مشابه کار می کنند.

رایانه‌های کوانتومی می‌توانند اعداد بزرگ را به‌طور تصاعدی سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک در شکستن کلیدهای عمومی و خصوصی در اتصالات اینترنتی رمزگذاری‌شده فاکتور کنند.

این قابلیت رمزنگاری سنتی و بلاک چین‌هایی را که بر مشکل فاکتورسازی تکیه دارند، تهدید می‌کند.

محققان همچنین پیامدهای محاسبات کوانتومی در نظریه‌های چندجهانی را بررسی می‌کنند، زیرا کیوبیت‌ها ظاهراً در بسیاری از واقعیت‌ها محاسبه می‌کنند.

اخیراً، گوگل ادعا کرد که یک رایانه کوانتومی به «برتری کوانتومی» دست یافته است، و مشکلی را که رایانه‌های کلاسیک نمی‌توانستند در یک بازه زمانی معقول حل کنند، حل کرد.

یک مطالعه طبیعت همچنین مواد کوانتومی جدیدی را برای تثبیت کیوبیت ها برجسته کرد.

بخش عجیب این است که این ذرات ممکن است نشان دهند که بسیاری از واقعیت های مختلف در یک زمان وجود دارند، مانند جهان های موازی در فیلم های علمی تخیلی!

دانشجوی کارشناسی ارشد

محاسبات کوانتومی از پدیده های کوانتومی مانند برهم نهی، درهم تنیدگی و تداخل بهره برداری می کند.

در حالی که بیت های کلاسیک دودویی هستند، کیوبیت ها از برهم نهی کوانتومی برای نمایش چندین حالت به طور همزمان استفاده می کنند.

درهم تنیدگی کوانتومی تضمین می‌کند که کیوبیت‌ها حتی در فاصله دور به هم متصل می‌مانند و الگوریتم‌های بسیار کارآمد را ممکن می‌سازد.

شما می توانید از دروازه های کوانتومی برای دستکاری کیوبیت ها استفاده کنید و به شما امکان می دهد مدارهای کوانتومی را برای اجرای الگوریتم های کوانتومی ایجاد کنید.

الگوریتم Shor، فاکتورگیری چندجمله‌ای اعداد صحیح را قادر می‌سازد که مستقیماً رمزنگاری RSA را تهدید می‌کند و مشکل P در مقابل NP را حل می‌کند.

به طور مشابه، الگوریتم گروور سرعت‌های درجه دوم را برای مشکلات جستجوی بدون ساختار فراهم می‌کند.

این پیشرفت‌ها نگرانی‌هایی را در مورد ایمن کردن سیستم‌های دیجیتال در برابر تهدیدات کوانتومی ایجاد می‌کند.

گمانه زنی های چندجهانی به این دلیل به وجود می آیند که کیوبیت ها در برهم نهی ممکن است با واقعیت های دیگر تعامل داشته باشند، همانطور که در تفسیر جهان های متعدد هیو اورت فرض شده است.

در همین حال، تفسیر کپنهاگ نشان می‌دهد که وقتی رفتار کوانتومی را اندازه‌گیری می‌کنید، به یک نتیجه واحد سقوط می‌کند.

تحقیقات گوگل برتری کوانتومی (که بعداً مزیت کوانتومی نامیده شد) را با حل یک کار محاسباتی در چند ثانیه نشان داد که هزاران سال طول می کشد تا ابررایانه های کلاسیک.

کارشناس

محاسبات کوانتومی اصول برهم نهی کوانتومی، درهم تنیدگی و تکامل واحد را برای پردازش اطلاعات به پیش می برد.

کیوبیت ها با رمزگذاری اطلاعات در فضای هیلبرت چند بعدی، از دروازه های منطقی کلاسیک فراتر می روند و فضای حالت نمایی را امکان پذیر می کنند.

الگوریتم‌هایی مانند الگوریتم Shor اعداد صحیح نیمه اول را در زمان چند جمله‌ای تجزیه می‌کنند و سیستم‌های رمزنگاری مانند RSA و ECC را تضعیف می‌کنند.

الگوریتم گروور بهینه سازی درجه دوم را برای کارهای جستجو نشان می دهد که نشان دهنده یک کلاس محوری از مزیت کوانتومی است.

تفاسیر مکانیک کوانتومی زیربنای این سیستم ها متفاوت است: تفسیر کپنهاگ فروپاشی تابع موج را در طول اندازه گیری فرض می کند.

تفسیر جهان‌های متعدد نشان می‌دهد که نتایج محاسباتی جهان‌های موازی را در بر می‌گیرند تا زمانی که مشاهدات آن‌ها را به یکی تبدیل کند.

این موضوع به بحث‌های موازی کوانتومی در حالت‌های چندوجهی دامن می‌زند.

نمایش برتری کوانتومی گوگل از یک پردازنده 54 کیوبیتی Sycamore استفاده کرد تا یک مشکل نمونه برداری را در 200 ثانیه تکمیل کند، که قبلاً تخمین زده می شد که 10000 سال در قدرتمندترین ابررایانه های جهان نیاز داشته باشد.

مقیاس پلانک (10^-35 متر) دانه بندی اساسی را در فضازمان نشان می دهد که به طور بالقوه توان محاسباتی کوانتومی را محدود می کند.

گزارش‌های طبیعت بر پیشرفت‌ها در تثبیت کیوبیت‌ها از طریق تصحیح خطای کوانتومی توپولوژیکی و طراحی‌های مقاوم به خطا، که برای محاسبات کوانتومی عملی ضروری است، تأکید می‌کند.

آیا در مورد آینده کوانتومی هیجان زده هستید؟