عناصر اصلی نظریه کوانتوم

• انرژی نیز مانند ماده بیشتر از این که به شکل یک موج پیوسته باشد از واحد های گسسته ای تشکیل شده است.
• ذرات بنیادین ماده و انرژی می توانند بسته به شرایط به شکل ذره ای یا موجی رفتار کنند.
• حرکت ذرات بنیادین به صورت ذاتی تصادفی و در نتیجه غیرقابل پیش بینی است.
• اندازه گیری هم زمان دو مقدار مکمل یکدیگر، مثلا موقعیت و تکانه ی یک ذره بنیادین به صورت ناگزیر ناقص خواهد بود. هر چقدر یک مقدار دقیق تر اندازه گیری شود اندازه گیری مقدار دیگر ناقص تر خواهد بود. مینی کامپیوتر

پیشرفت های بیشتر نظریه کوانتوم

نیلز بور تفسیر کپنهاگی نظریه کوانتوم را پیشنهاد کرد که تاکید می کند یک ذره همان چیزی است که اندازه گیری می شود( برای مثال یک موج یا یک ذره) اما تا زمانی که اندازه گیری انجام نگرفته باشد نمی توان برای آن خواص مشخصی در نظر گرفت یا حتی فرض کرد که وجود دارد. به طور خلاصه، بور می گفت که واقعیت عینی وجود ندارد. این مفهوم منجر به ایجاد اصلی به نام برهم نهی کوانتومی شد که ادعا می کند اگر چه ما نمی دانیم حالت هر شی چیست اما تا زمانی که به دنبال بررسی آن نباشیم شی در واقع به طور هم زمان در همه حالت های ممکن، وجود دارد.

برای به تصویر در آوردن این نظریه، می­توانیم از مقایسه معروف و نسبتا بی رحمانه­ ی گربه­ ی شرودینگر استفاده کنیم. اول این که ما یک گربه زنده داریم که آن را در یک جعبه سربی ضخیم قرار می دهیم. در این مرحله هیچ شکی وجود ندارد که گربه زنده است. سپس ما یک ظرف کوچک از سیانید به داخل جعبه پرتاب می کنیم و به طور کامل جعبه را می بندیم. در حال حاضر ما نمی دانیم که ایا گربه زنده است یا این که کپسول سیانید را شکسته و مرده است. با توجه به این که نمی دانیم، بنا به قانون کوانتوم و اصل بر هم نهی(جمع حالت های ممکن) گربه هم زنده است و هم مرده. تنها وقتی که جعبه را باز می کنیم و وضعیت گربه را بررسی می کنیم است که اصل بر هم نهی از بین می رود و گربه یا زنده است یا مرده.

تفسیر دوم نظریه کوانتوم، نظریه چند جهانی می باشد. این نظریه می گوید به محض این که برای هر شی این پتانسیل وجود داشته باشد که در هر حالتی باشد، جهان آن شی به مجموعه ای از جهان های موازی تغییر ماهیت می دهد که تعداد آن ها برابر تعداد حالت های ممکنی است که شی می تواند داشته باشد و هر کدام از این جهان ها شامل یکی از حالت های ممکن آن شی می شود. همچنین، مکانیزمی برای برهم کنش میان جهان ها وجود دارد که به نحوی اجازه می دهد تا همه حالت های ممکن در دسترس باشند و همه حالت های ممکن به طریقی تحت تاثیر قرار بگیرند. Stephen Hawking و Richard Feynman فقید از جمله دانشمندانی هستند که از این نظریه حمایت کرده اند.

مهم نیست که هر شخص کدام یک از این تفسیر ها را انتخاب می کند. این اصل که به طریقی یک ذره می تواند به طور همزمان در چندین حالت باشد پیامد های مهمی را برای علم رایانه ها در بر خواهد داشت.

مقایسه ای بین کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک

کامپیوترکلاسیک در بالاترین حد خود بر اصولی که به کمک جبر بولی بیان می شود تکیه می کند که (اغلب) با یک دروازه منطقی 7 حالته عمل می کند البته سه حالت نیز برای وجود این دروازه منطقی کافی است (And-Not-Copy). در هر نقطه ای از زمان، داده ها باید در حالت انحصاری دودویی (Binary) پردازش شوند که این به این معناست که دو مقدار صفر(خاموش/غلط) یا یک ( روشن/صحیح) ممکن است.این مقادیر ارقام دودویی یا بیت هستند. میلیون ها ترانزیستور یا خازن موجود در قلب کامپیوتر ها در هر زمان می توانند در یک حالت باشند. اگرچه زمانی که هر ترانزیستور یا خازن باید در حالت صفر یا یک باشد و سپس حالت خود را عوض کند امروزه به یک میلیاردم ثانیه رسیده هنوز هم برای این که این قطعات چقدر سریع می توانند حالت خود را عوض کنند محدودیت وجود دارد. هر چقدر که ما به سمت مدار های کوچک تر و سریع تر حرکت می کنیم به حدود فیزیکی مواد و نیز به حد قوانین کلاسیک فیزیک که بر آن ها اعمال شوند  نزدیک تر می شویم. فراتر از این حد را جهان کوانتوم به تسخیر خود در آورده است که پتانسیل عظیم و همچنین چالش های بزرگی را بر سر راه ما قرار می دهد.

به طور متضاد، کامپیوتر های کوانتومی می توانند با دروازه های منطقی دو حالتی کار کنند. یکی از این حالت ها  XOR و دیگری حالتی است که آن را QO1 می نامیم ( توانایی تغییر صفر به برهم نهی دو حالت صفر و یک، دروازه منطقی که نمی تواند در کامپیوتر های کلاسیک وجود داشته باشد.). در یک کامپیوتر کوانتومی،  از ذرات بنیادی مانند الکترون ها یا فوتون ها می توان استفاده کرد( در عمل حتی استفاده از یون ها نیز با موفقیت همراه بوده است) که بار الکتریکی یا پولاریزاسیون آن ها به عنوان نمایش های صفر و/یا یک مورد استفاده قرار می گیرد. به هر کدام از این ذره ها بیت کوانتومی یا کیوبیت گفته می شود. طبیعت و رفتار این ذره ها مبنای کامپیوتر های کوانتومی را تشکیل می دهد. مرتبط ترین جنبه های فیزیک کوانتومی به این زمینه اصل های برهم­ نهی و در­هم­ تنیدگی هستند.