คอมพิวเตอร์ควอนตัม หลักการทำงาน

เครื่องจักรดังกล่าวมีความจำเป็นในปัจจุบันในทุกสาขา เช่น การแพทย์ การบิน การสำรวจอวกาศ ปัจจุบันกำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์โดยใช้ฟิสิกส์ควอนตัมและเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ พื้นฐานของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ดังกล่าวยังไม่พร้อมใช้งานสำหรับผู้ใช้ทั่วไปและได้รับการยอมรับว่าเป็นสิ่งที่เข้าใจยาก ท้ายที่สุดแล้ว ไม่ใช่ทุกคนที่คุ้นเคยกับคุณสมบัติโฟตอนของอนุภาคมูลฐานและอะตอม เพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำงานของคอมพิวเตอร์เครื่องนี้อย่างน้อย คุณจำเป็นต้องรู้และเข้าใจหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม โดยส่วนใหญ่แล้ว คอมพิวเตอร์ที่สอดคล้องกันนี้กำลังได้รับการพัฒนาสำหรับ NASA

เครื่องจักรธรรมดาดำเนินการโดยใช้บิตคลาสสิกซึ่งสามารถรับค่า 0 หรือ 1 ในทางกลับกัน เครื่องคำนวณโฟโตนิกใช้บิตหรือคิวบิตที่สอดคล้องกัน สามารถรับค่า 1 และ 0 ได้ในเวลาเดียวกัน นี่คือสิ่งที่ทำให้เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ดังกล่าวมีพลังการประมวลผลที่เหนือกว่า มีออบเจ็กต์แจงนับหลายประเภทที่สามารถใช้เป็นคิวบิตได้

1. นิวเคลียสของอะตอม
2. อิเล็กตรอน.

อิเล็กตรอนทุกตัวมีสนามแม่เหล็ก ซึ่งมักจะเป็นเหมือนแม่เหล็กขนาดเล็ก และคุณสมบัตินี้เรียกว่าสปิน หากวางไว้ในสนามแม่เหล็ก แม่เหล็กจะปรับในลักษณะเดียวกับเข็มเข็มทิศ นี่คือตำแหน่งพลังงานต่ำสุด ดังนั้นเราจึงสามารถเรียกมันว่าการหมุนเป็นศูนย์หรือต่ำได้ แต่คุณสามารถเปลี่ยนเส้นทางอิเล็กตรอนไปที่สถานะ "หนึ่ง" หรือหมุนไปที่ด้านบนได้ แต่สิ่งนี้ต้องใช้พลังงาน หากคุณถอดกระจกออกจากเข็มทิศ คุณสามารถเปลี่ยนทิศทางลูกศรไปในทิศทางอื่นได้ แต่ต้องใช้แรง

มีสองส่วน: สปินล่างและสปินบน ซึ่งสอดคล้องกับคลาสสิก 1 และ 0 ตามลำดับ แต่ความจริงก็คือวัตถุโทนิคสามารถอยู่ในสองตำแหน่งในเวลาเดียวกันได้ เมื่อวัดการหมุนแล้วก็จะขึ้นหรือลง แต่ก่อนที่จะทำการวัด อิเล็กตรอนจะอยู่ในสิ่งที่เรียกว่าการทับซ้อนของควอนตัม ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้บ่งบอกถึงความน่าจะเป็นสัมพัทธ์ในการค้นหาอิเล็กตรอนในสถานะหนึ่งหรืออีกสถานะหนึ่ง

ค่อนข้างยากที่จะจินตนาการว่าสิ่งนี้ทำให้เครื่องจักรที่เชื่อมโยงกันมีพลังในการคำนวณอันเหลือเชื่อได้อย่างไร โดยไม่คำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ของสองคิวบิต ขณะนี้อิเล็กตรอนเหล่านี้มีสถานะที่เป็นไปได้สี่สถานะ ในตัวอย่างทั่วไปของสองบิต จำเป็นต้องมีข้อมูลเพียงสองบิตเท่านั้น ดังนั้น 2 ควิบิตจึงมีข้อมูล 4 ประเภท ดังนั้นคุณจำเป็นต้องรู้ตัวเลขสี่ตัวจึงจะรู้ตำแหน่งของระบบได้ และถ้าคุณหมุนสามครั้ง คุณจะได้ตำแหน่งที่แตกต่างกันแปดตำแหน่ง และในกรณีทั่วไป คุณจะต้องใช้สามบิต ปรากฎว่าจำนวนข้อมูลที่อยู่ใน N qubits เท่ากับ 2N บิตทั่วไป ฟังก์ชันเอ็กซ์โปเนนเชียลบอกว่า ตัวอย่างเช่น หากมี 300 คิวบิต คุณจะต้องสร้างการซ้อนทับที่ซับซ้อนอย่างบ้าคลั่ง โดยที่ 300 คิวบิตทั้งหมดจะเชื่อมต่อกัน จากนั้นมันกลายเป็นบิตคลาสสิก 2,300 บิต ซึ่งเท่ากับจำนวนอนุภาคในจักรวาลทั้งหมด จากนี้ไปจะต้องสร้างลำดับตรรกะที่จะทำให้สามารถรับผลลัพธ์ของการคำนวณที่สามารถวัดได้ นั่นคือประกอบด้วยอุปกรณ์มาตรฐานเท่านั้น ปรากฎว่าเครื่องจักรที่เชื่อมโยงกันไม่สามารถทดแทนเครื่องจักรทั่วไปได้ ซึ่งจะเร็วกว่าเฉพาะในการคำนวณในกรณีที่สามารถใช้การซ้อนทับที่มีอยู่ทั้งหมดได้ และหากคุณเพียงต้องการชมวิดีโอคุณภาพสูง แชทบนอินเทอร์เน็ต หรือเขียนบทความเกี่ยวกับงาน คอมพิวเตอร์โทนิคจะไม่ให้ความสำคัญกับคุณ

วิดีโอนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

กล่าวง่ายๆ ก็คือ ระบบที่สอดคล้องกันไม่ได้ออกแบบมาเพื่อความเร็วในการคำนวณ แต่สำหรับจำนวนที่ต้องการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ ซึ่งจะเกิดขึ้นในหน่วยเวลาขั้นต่ำ

การทำงานของคอมพิวเตอร์คลาสสิกมีพื้นฐานมาจากการประมวลผลข้อมูลโดยใช้ชิปซิลิคอนและทรานซิสเตอร์ พวกเขาใช้รหัสไบนารี่ซึ่งจะประกอบด้วยหนึ่งและศูนย์ เครื่องจักรที่สอดคล้องกันทำงานบนพื้นฐานของการซ้อนทับ แทนที่จะใช้บิต จะใช้ qubits สิ่งนี้ไม่เพียงช่วยให้การคำนวณรวดเร็ว แต่ยังช่วยให้การคำนวณแม่นยำที่สุดอีกด้วย

ระบบคอมพิวเตอร์โทนิคที่ทรงพลังที่สุดจะเป็นอย่างไร? ตัวอย่างเช่น หากคอมพิวเตอร์โฟโตนิกมีระบบ 30 คิวบิต พลังงานของมันจะเท่ากับการดำเนินการคำนวณ 10 ล้านล้านต่อวินาที ในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์สองบิตที่ทรงพลังที่สุดนับหนึ่งพันล้านการดำเนินการต่อวินาที

นักวิทยาศาสตร์กลุ่มใหญ่จากประเทศต่างๆ ได้พัฒนาแผนโดยให้ขนาดของอุปกรณ์โฟโตนิกใกล้เคียงกับขนาดของสนามฟุตบอล เขาจะเป็นผู้ที่ทรงพลังที่สุดในโลก มันจะเป็นการก่อสร้างโมดูลชนิดหนึ่งซึ่งวางอยู่ในสุญญากาศ ภายในของแต่ละโมดูลเป็นสนามไฟฟ้าที่แตกตัวเป็นไอออน ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาที่บางส่วนของวงจรจะถูกสร้างขึ้นซึ่งจะดำเนินการเชิงตรรกะอย่างง่าย ตัวอย่างของเทคนิคการคำนวณโฟโตนิกดังกล่าวกำลังได้รับการพัฒนาที่มหาวิทยาลัยซัสเซ็กซ์ในประเทศอังกฤษ ค่าใช้จ่ายโดยประมาณในขณะนี้คือมากกว่า 130 ล้านดอลลาร์

เมื่อสิบปีที่แล้ว D-Wave ได้เปิดตัวคอมพิวเตอร์ที่เชื่อมโยงกันเครื่องแรกของโลก ซึ่งประกอบด้วย 16 คิวบิต แต่ละควิบิตในทางกลับกันประกอบด้วยผลึกไนโอเบียมซึ่งวางอยู่ในตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าที่จ่ายไปที่ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็ก จากนั้นจะเปลี่ยนความเป็นเจ้าของที่มี qubit อยู่ ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องจักรดังกล่าวทำให้ง่ายต่อการค้นหาว่ายาสังเคราะห์มีปฏิกิริยากับโปรตีนในเลือดอย่างไร
หรือจะสามารถระบุโรคเช่นมะเร็งได้ในระยะเริ่มต้น

ในวิดีโอนี้ นำเสนอเหตุผลในหัวข้อ "เหตุใดโลกจึงต้องการคอมพิวเตอร์ควอนตัม" อย่าลืมที่จะแสดงความคิดเห็นคำถามและเพียงแค่