مقایسه ای بین کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک

مقایسه ای بین مینی کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک

برهم نهی 
کیوبیت را الکترونی در نظر بگیرید که در میدان مغناطیسی قرار دارد. جهت چرخش الکترون (اسپین) می تواند در جهت میدان (اسپین مثبت) یا در جهت مخالف (اسپین منفی) باشد. تغییر در اسپین الکترون از یک حالت به حالت دیگر از طریق یک پالس انرژی - برای مثال با لیزر - صورت می گیرد. فرض کنید برای این کار از یک واحد انرژی لیزر استفاده می کنیم. حالا اگر فقط از نصف واحد انرژی لیزر استفاده کنیم و ذره را از همه تأثیرات خارجی دور نگه داریم، چه اتفاقی می افتد؟ طبق قانون کوانتومی، در این حالت ذره وارد همپوشانی حالت های ممکن می شود و در این حالت طوری رفتار می کند که گویی در دو حالت همزمان امکان پذیر است. هر یک از کیوبیت های مورد استفاده می تواند حالت صفر و یک داشته باشد. در نتیجه، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند 2n محاسبات را انجام دهد که n تعداد کیوبیت های استفاده شده است. یک کامپیوتر کوانتومی با 500 کیوبیت پتانسیل انجام محاسبات را در یک مرحله محاسباتی دارد. این مقدار عالیه 2500 اتم بی نهایت بیشتر از تعداد اتم های شناخته شده در جهان وجود دارد. (این در واقع یک شکل واقعی از پردازش موازی است. رایانه های کلاسیک امروزی، حتی آنهایی که ظاهراً پردازنده های موازی دارند، در واقع فقط یک کار را در یک زمان انجام می دهند، اما دو یا چند پردازنده آن را انجام می دهند. بده). اما چگونه این ذرات با یکدیگر تعامل دارند؟ آنها این کار را با درهم تنیدگی کوانتومی انجام می دهند.

در هم تنیدگی
ذرات (مانند فوتون‌ها، الکترون‌ها و کیوبیت‌ها) که در نهایت با یکدیگر برهمکنش می‌کنند نوعی رابطه با یکدیگر حفظ می‌کنند و می‌توانند به صورت جفت در هم تنیده شوند، فرآیندی که به نام همبستگی شناخته می‌شود. اگر اسپین یک ذره در هم تنیده (بالا یا پایین) را بدانیم، می توانیم بدانیم که جفت اسپین آن در جهت مخالف است. حتی شگفت‌انگیزتر این واقعیت است که به دلیل پدیده همپوشانی، ذره اندازه‌گیری شده قبل از اندازه‌گیری یک جهت اسپین واحد ندارد، بلکه اسپین‌های مثبت و منفی به طور همزمان وجود دارند. حالت اسپین ذره مورد بررسی در زمان اندازه گیری مشخص می شود و همچنین مربوط به ذره همبسته آن است. در واقع اسپین ذرات اندازه گیری شده همزمان در نظر گرفته می شود. این پدیده کاملاً صحیح است (اینشتین این پدیده را "عمل شبح وار در فاصله" نامید) اما مکانیسم آن هنوز با کمک هیچ نظریه ای قابل توضیح نیست. تنها راه این است که آن را به عنوان یک فرض بپذیریم. درهم تنیدگی کوانتومی کیوبیت‌هایی را که بسیار دور از هم قرار دارند، قادر می‌سازد تا برای مدت کوتاهی با یکدیگر تعامل داشته باشند (به سرعت نور محدود نمی‌شود). صرف نظر از فاصله بین ذرات همبسته، تا زمانی که جدا هستند، درهم می مانند.

همپوشانی کوانتومی و درهم تنیدگی کوانتومی با هم قدرت محاسباتی عظیمی تولید می کنند. در حالی که داده های 2 بیتی در یک کامپیوتر معمولی می توانند 4 حالت را به طور همزمان داشته باشند (00-01-10-11)، داده های 2 بیتی در یک کامپیوتر کوانتومی می توانند هر چهار عدد را همزمان ذخیره کنند زیرا هر کیوبیت دارای 2 است. همزمان مقادیر را نشان می دهد. با اضافه شدن کیوبیت های بیشتر، این افزایش ظرفیت محاسباتی به طور تصاعدی افزایش خواهد یافت.

برنامه نویسی کوانتومی
شاید حتی جذاب‌تر از قدرت مطلق رایانه‌های کوانتومی این باشد که به ما اجازه می‌دهند برنامه‌ها را به روش‌های کاملاً جدیدی بنویسیم. به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از یک دنباله برنامه نویسی استفاده کند که به این معنی است که "همه همپوشانی های محاسباتی قبلی ذخیره شده اند". این دستور برای رایانه های کلاسیک کاملاً بی معنی است و البته می تواند به ما کمک کند تا برخی از مسائل ریاضی مانند یافتن فاکتورهای اعداد بزرگ را خیلی سریع حل کنیم. در ادامه این مثال را بررسی می کنیم.

تاکنون دو پیشرفت بزرگ در برنامه نویسی کوانتومی صورت گرفته است. اولین مورد در سال 1994 توسط پیتر شور (که اکنون در آزمایشگاه AT&T کار می کند) ساخته شد. او یک الگوریتم کوانتومی طراحی کرد که می‌توانست به طور موثر فاکتورهای زیادی را پیدا کند. اساس اصلی این الگوریتم سیستمی است که از نظریه اعداد برای تخمین تناوب یک دنباله بزرگ از اعداد استفاده می کند. لاو گروور دومین موفقیت بزرگ خود را در سال 1996 در آزمایشگاه بل به دست آورد. او الگوریتم بسیار سریعی را طراحی کرد که معلوم شد سریعترین الگوریتم برای جستجوی پایگاه های داده نامرتب است. این الگوریتم به قدری کارآمد است که به طور متوسط ​​فقط به ریشه دوم N (تعداد N از عناصر موجود) جستجو برای یافتن نتیجه مطلوب نیاز دارد. در حالی که این مورد در مورد کامپیوترهای کلاسیک است، اما به جستجوی N / 2 نیاز دارد.