Κβαντικοί Υπολογιστές και η αρχή λειτουργίας τους

Από τις αρχές της δεκαετίας του ’80, οι φυσικοί Richard Feynman, David Deutsch και Paul Benioff διαπίστωσαν ότι οι κλασικοί υπολογιστές είχαν βασικούς περιορισμούς στο χρόνο και στη μνήμη για την εκπόνηση βασικών λειτουργιών κι έτσι γεννήθηκε η ιδέα για τη δημιουργία ενός υπολογιστή που θα στηριζόταν στις αρχές της κβαντικής φυσικής.

 

Οι υπολογιστές διαχειρίζονται όλες τις πληροφορίες βασιζόμενοι μόνο σε δύο ψηφία. Το 0 και το 1. Πρόκειται για το λεγόμενο δυαδικό σύστημα και τα bits. Ένας αριθμός, για παράδειγμα, μπορεί να παρασταθεί μόνο με αυτά τα ψηφία ως εξής:
Αρχίζοντας από το τέλος προς τα μπρος, το κάθε ψηφίο αντιστοιχεί σε δύναμη του 2 (2^0, 2^1 κ.ο.κ) πολλαπλασιασμένη με 0 ή το 1, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
8401-binary
Στοους κβαντικούς υπολογιστές, όμως τα στοιχεία πληροφορίας παριστάνονται με ένα κβαντικό bit  ή qubit (quantum bit). Το qubit είναι ένα κβαντικό σύστημα δύο καταστάσεων. Οι δύο βασικές καταστάσεις του qubit συμβολίζονται με 0 και 1. Η πρώτη διαφορά είναι ότι ένα qubit μπορεί να πάρει ταυτόχρονα δύο τιμές, και 0 και 1!

 

Πώς; Ας το δούμε ΦΥΣΙΚΑ… Στην κβαντομηχανική ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε, ακόμη και σε πολλά σημεία στο χώρο, ταυτόχρονα. Μόλις όμως μετρήσουμε ένα φυσικό μέγεθος, επηρεάζουμε δηλαδή την κίνησή του (βλ. αρχή αβεβαιότητας Heisenberg). Αυτό εξηγεί και το γεγονός ότι το qubit μπορεί να είναι συγχρόνως 0 και 1 σε αντίθεση με το κλασικό bit.

Ως qubits μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα σωμάτια όπως, ένα φωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο.
Στα ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, η ιδιοπεριστροφή τους (spin) μπορεί να είναι ή αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη, δηλαδή ή + 1/2 ή -1/2. Αυτές οι τιμές θα μπορούσαν να αναπαριστούν το 0 ή το 1. Μέχρι εδώ, λοιπόν, όλα καλά, μοιάζει με το δυαδικό σύστημα.
Αποτέλεσμα εικόνας για spin electron quantum qubits
Εικόνα από qoqms.phys.strath.ac.uk
Στην κβαντομηχανική όμως, όπως ήδη αναφέραμε, το ηλεκτρόνιο μπορεί να είναι και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα! Καταλήγουμε σε ένα γραμμικό συνδυασμό υπερθέσεων, τύπου α|1>+β|0>. Με απλά λόγια, το αποτέλεσμα της μέτρησης είναι η πιθανότητα του ηλεκτρονίου να βρίσκεται σε κάποια κατάσταση, η οποία εκφράζεται με τους συντελεστές α,β. Η πιθανότητα το qubit να βρίσκεται στην κατάσταση 1 είναι |α|^2, ενώ η πιθανότητα να βρίσκεται στην κατάσταση 0 είναι |β|^2.
Επιπλέον, το κάθε qubit έχει δύο καταστάσεις. Αλλά αν πάρουμε δύο qubits, ο συνδυασμός των καταστάσεών τους είναι 2^2=4 άρα 4 συντελεστές, αν πάρουμε τρία qubits το σύνολο των καταστάσεων τους είναι 2^3=8 άρα 8 συντελεστές κ.ο.κ.

 

Γενικά, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν πρόκειται να σου κάνουν την περιήγησή σου στο διαδίκτυο πιο γρήγορη, αλλά για ορισμένες διαδικασίες κι υπολογισμούς η διαφορά στο χρόνο επίλυσης θα είναι σημαντική.
  • Ενδιαφέρον και κατατοπιστικότατο βίντεο:
heisenbergs_principle

 

  • Αρχή αβεβαιότητας Heisenberg: Δεν μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα και τη θέση την ορμή ενός σωματατιδίου.
  • Κβαντική Υπέρθεση (ή Επαλληλία):  Σύμφωνα με την κλασσική φυσική ένα νόμισμα μπορεί να είναι κορώνα ή γράμματα (δηλαδή 0 ή 1 σε αντιστοιχία με το δυαδικό σύστημα). Στην κβαντομηχανική, σύμφωνα με την κβαντική θεωρία της υπέρθεσης, όταν κάποιος «έστριβε» το νόμισμα, αυτό θα ήταν ταυτόχρονα και κορώνα και γράμματα.Με άλλα λόγια, στην κβαντική κατάσταση θα έχουμε ταυτόχρονα αναπαράσταση πολλαπλών καταστάσεων (και τις δύο όψεις) και αυτό ορίζει το κβαντικό bit.

 

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

 

1. ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ: Μέθοδοι υλοποίησης κβαντικών πυλών, Γουσια Πολυξένη, Διπλωματική εργασία, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Πληροφορικής
2. Γιώργος Ασημάκης, ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ, 2016
Advertisements