Was ist los mit Quanten-Computing

Sie haben gehört, dass viele Menschen inzwischen – auch für uns – Hämmern auf über Quantencomputer, und wie sie die Zukunft der High-Performance-computing. Quantencomputer, wir sind dazu gedacht, zu verstehen, die Welt verändern soll. Aber trotz seiner Versprechen, noch weder verbreitet noch besonders nützlich. Hier ist warum nicht.

Grundlegende Bits

Erste Sachen zuerst, eine schnelle Erinnerung an genau, was ein Quantencomputer ist. Im Grunde sind sie Computer verwenden, der Quantenphysik. Im Gegensatz zu einer normalen digitalen Systemen sich auf Daten in Binärziffern (Bit) kodiert – das kann immer nur nehmen die Form von 0 oder 1 — Quantenrechnen Quanteneigenschaften verwendet, um Daten und Operationen.

Ein Quanten-Computer verwendet, nicht Bits aber Qubits (Quantenbits). Aller seiner Qubits darstellen kann eine 0, 1, oder – ganz entscheidend – alles andere dazwischen.

Stellen Sie sich eine Tabelle mit Münzen bedeckt. In einem klassischen Computer zeigt jeweils entweder ein Kopf oder Zahl; in einem Quantencomputer könnte eine Münze 25 Prozent Kopf und Schweif 75 Prozent oder jeder anderen Position zwischen den zwei möglichen Zuständen darstellen. Einmal gemessen, natürlich – und wir haben Schroedinger zu verdanken – es übernimmt einer der beiden Staaten, Kopf oder Zahl.

Weil jedes Qubit so vielfältige Werte annehmen kann, kann eine bescheidene Anzahl von ihnen eine wahnsinnige Menge an Informationen halten; Dies ist, was ihre theoretischen Grunzen Quantencomputer verleiht. Nur 100 Qubits 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,375 verschiedene Nummern speichern können – viele Billionen Mal die Speicherkapazität von allen Computern je gemacht habe. In anderen Worten, kann 100 Qubits gleichzeitig alle mögliche 100-Bit Zahlen in ihren riesigen Quantenzustand, im Gegensatz zu einem klassischen 100-Bit-Computer darstellen die nur eine darstellen können.

Es ist die große Fähigkeit, viele Staaten auf einmal davon ausgehen, dass – in der Theorie – bedeutet, dass Quantencomputer ungeahnte Kraft, oft schneller als jede klassische Computer bieten können. In der Praxis ist es eher schwierig.

Bausteine

Zunächst einmal ist, Aufbau eines Quantencomputers keine Kleinigkeit. Während die Technologie erforderlich, um voll von Computern erstellen traditionelle Bits ist gut etabliert, Herstellung von Qubits alles andere als einfach ist.

Für den Anfang ist niemand ganz sicher, was der beste Weg zu machen ist. Einige Techniken beinhalten das Trapping Ionen, Elektronen oder andere winzige kleine Teilchen; Einige schlagen vor, mit Supraleitern mikroskopische Quanten Schaltungen erstellen; andere schlagen vor, es wäre möglich, Photonen und komplexen optischen Apparat zu verwenden, um ein ähnliches Ziel zu erreichen. Alle diese Techniken, gemein ist jedoch die Tatsache, dass sie derzeit plausible auf dem kleinen, aber unglaublich schwierig, auf den großen zu realisieren. Im Wesentlichen beschränkt, Quantencomputer zu Forschung Maschinen, zumindest vorerst.

Das Skalierungsproblem selbst ist ein Ergebnis von Quantum Dekohärenz – oder vielmehr, sie zu beseitigen wollen. Das Problem ist, dass, wie gute ol ' Schrödinger nur allzu gerne darauf war hinweisen, Quantensysteme vom Rest der Welt isoliert sein, um zu arbeiten. Interaktion mit der Außenwelt führen zu decohere, kollabiert nach unten und nehmen einen binären Zustand wie bei einem normalen Computer.

Aber die sehr Eingeweide eines Quantencomputers — Quantengatter, Gitterschwingungen, Hintergrund Kernspin der Qubits – können alle vorstellen Dekohärenz Effekte, auch. Die Lösung? Entscheiden Sie sich für eine Fehlerquote – die Menge an Dechorence du bist glücklich für das System zu setzen mit – und Design dafür.

Auch das ist eine unvollkommene Lösung, obwohl; um eine Fehlerquote haben klein genug, dass Sie sind noch immer die Vorteile eines respektablen Quantencomputers, man bräuchte eine gewichtige Beule in der Zahl der Qubits zu Anbieter Fehlerkorrektur und die Qubits sind extrem schwer zu produzieren in erster Linie die... nun, Sie sehen können wo das geht.

Sie sind ein Benutzer, Baby

Angenommen jedoch, Sie in der Lage sind, einen funktionalen Quantencomputer (nicht überraschend, Googles drauf) zu bauen. Während Sie denken vielleicht, dass mit alles, was roh, pulsierende Rechenleistung at your Fingertips ein Traum wahr werden könnte, ist in Wirklichkeit mit dem verdammten Ding in der Nähe von alptraumhaften.

Erstens ist die Frage, ob es, sogar an erster Stelle funktioniert. Ein weithin bekannter Grundsatz der Quantenmechanik ist, dass nur die Phänomen Änderungen beobachten das Ergebnis eines Ereignisses. Also, sehen Sie ein Quantenteilchen oder ein Qubit oder irgendetwas Quanten für diese Angelegenheit, und Sie ändern ihr Verhalten. Das heißt, es ist tatsächlich sehr schwierig zu sagen, ob ein Quantencomputer in der Weise verhält, wir erwarten oder es brauchen würde.

In der Tat sind nicht die derzeit so genannte Quantencomputer tatsächlich überprüft, um die Art und Weise zu arbeiten, was, der Sie sollen. Sie sind einfach basierend auf die richtige Theorie einige Finger kreuzen und nach ihrer Leistung beurteilt.

Damit stellt sich eine ganz andere Reihe von Fragen. Tatsächlich erreichen, dass die Ausgabe ist ein Chaos. Codierung eines Quantencomputers ist kein leichtes Unterfangen; von ihrem Wesen her geben sie Antworten, die unbedingt probabilistische, nicht konkret. Das heißt für viele Lösungen die Antwort ist nicht unbedingt auf Anhieb auf bang; Stattdessen muss die gleiche Berechnung wiederholt werden, ergibt sich eine Anzahl von Zeiten, bevor die offensichtliche Antwort korrigieren. Dies bedeutet wiederum, dass abhängig von der Art des Problems, es ist nicht unbedingt eine riesige Menge von Vorteil bei der Verwendung eines Quantencomputers im Vergleich zu einer regulären.

Es ist möglich, einige der mystischen Zauberkraft der Quantenmechanik, die Geschwindigkeit zu verbessern, mit denen Lösungen erreicht, aber Forscher haben bisher nur es geschafft, tun Sie es für eine sehr kleine Gruppe von Problemen, wie die Suche nach die Primfaktoren einer sehr großen Zahl, zu nutzen. Das ist ordentlich, und es stellt sich heraus, nützlich für Kryptographie – aber es ist sicherlich begrenzt.

Zwei Unrecht machen nicht Recht.

Hier ist die eigentliche Kicker. Trotz all das rechnerische Grunzen, alle die Blut, Schweiß und Tränen bauen und programmieren das verdammte Ding ist es nicht unbedingt möglich zu sagen, ob ein Quantencomputer die richtige Antwort am Ende produziert. Was sagen?

Ein Quantencomputer könnte, in der Theorie verwendet werden, Lösungen in Tagen zu berechnen, vielleicht sogar Stunden, die einen normalen Computer Tausende von Jahren zu produzieren nehmen würde. Während einige der Antworten sind seine spuckt überprüfbar – ein komplexen kryptografischer Schlüssel generiert durch einen Quantencomputer ist überprüfbar durch Verwendung und Prüfung es durch verschlüsseln und entschlüsseln einer Nachricht, zum Beispiel – gibt es andere, die nicht getestet werden können. Einfach ausgedrückt, sind Quantencomputer oft verwendet, um die Arten von Problemen zu lösen, für die wir keine weitere Bestätigung Mechanismus haben. Wir können nicht oft ihre Arbeit überprüfen.

Jedoch möglicherweise einen Weg dies zu umgehen. Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität Wien entwickelten eine Technik Anruf "blind Quanten-computing", dass es glaubt könnte helfen. Die Idee ist ganz einfach; Es geht um mathematische fallen, im Wesentlichen zwischen-Schritte in einer Berechnung, die der Mensch – oder zumindest anderen Computern – auf jeden Fall trainieren im Voraus . Wenn diese Antworten falsch herauskommen, muss die gesamte Antwort einen Fehler zu enthalten. Anstatt die Endlösung, hält es ein Auge für Problemstellen auf dem Weg.

In Nature Physics haben die Forscher gezeigt, dass die Technik mindestens auf einem kleinen Maßstab arbeiten kann mit einer vier-Qubit-Quanten-Computer als einen Gutachter gegen einen zweiten Quantencomputer zu testen. Sie haben sogar behauptet, dass es skalierbar ist und auf Computern mit Hunderten von Qubits verwendet werden kann. Aber wie alle Dinge im Quantencomputer, es gibt einen Haken. "Wie fast alle aktuellen Quantencomputer Experimente, hat dies derzeit den Status eine lustige Demonstration Beweis von Konzept, sondern als etwas, dass direkt nützlich noch," erklärte Informatiker Scott Aaronson am Massachusetts Institute of Technology, Science.

Und das direkt dort zeigt warum Quanten-computing kaum mehr als einen lustvollen Traum bleibt. Zumindest für den Moment.

Bild von Welcomia/Shutterstock