Hvor Hurtigt Kan Quantum Computers Få?

{h1}

Det viser sig, at der er en kvantespredningsgrænse, der kan sætte bremserne på kvantecomputere.

I løbet af de sidste fem årtier er standard computerprocessorer blevet stadig hurtigere. I de senere år er grænserne for denne teknologi imidlertid blevet tydelige: Chipkomponenter kan kun blive så små og kun pakkes så tæt sammen, inden de overlapper eller kortslutter. Hvis virksomheder skal fortsætte med at opbygge stadig hurtigere computere, skal noget ændre sig.

Et vigtigt håb for fremtiden for stadig hurtigere computing er mit eget felt, kvantefysik. Kvantecomputere forventes at være meget hurtigere end noget, informationsalderen har udviklet hidtil. Men min seneste forskning har vist, at kvantecomputere vil have egne grænser - og har foreslået måder at finde ud af, hvad disse grænser er.

Begreberne for forståelse

Til fysikere lever vi mennesker i det, der kaldes den "klassiske" verden. De fleste mennesker kalder det bare "verden" og er kommet til at forstå fysikken intuitivt: Kast en kugle sender den og derefter tilbage i en forudsigelig lysbue.

Selv i mere komplekse situationer har folk en tendens til at have en ubevidst forståelse af, hvordan tingene virker. De fleste forstår i vid udstrækning, at en bil arbejder ved at forbrænde benzin i en forbrændingsmotor (eller udvide lagret elektricitet fra et batteri) for at producere energi, som overføres gennem gear og aksler for at slå dæk, som skubber mod vejen for at bevæge bilen fremad.

Under de klassiske fysikkers love er der teoretiske grænser for disse processer. Men de er urealistisk høje: For eksempel ved vi, at en bil aldrig kan gå hurtigere end lysets hastighed. Og uanset hvor meget brændstof er på planeten, eller hvor meget vejbaner eller hvor stærke byggemetoder, vil ingen bil komme tæt på at gå selv 10 procent af lysets hastighed.

Mennesker møder aldrig virkelig de faktiske fysiske grænser i verden, men de eksisterer, og med korrekt forskning kan fysikere identificere dem. Indtil for nylig havde forskere kun en ret vag idé om, at kvantefysikken også havde grænser, men vidste ikke, hvordan de skulle finde ud af, hvordan de kunne finde anvendelse i den virkelige verden.

Heisenbergs usikkerhed

Fysikere sporer kvantemteoriens historie tilbage til 1927, da den tyske fysiker Werner Heisenberg viste, at de klassiske metoder ikke fungerede for meget små objekter, de omtrent lige så store som individuelle atomer. Når man for eksempel kaster en bold, er det let at bestemme præcis, hvor bolden er, og hvor hurtigt det bevæger sig.

Men som Heisenberg viste, er det ikke sandt for atomer og subatomære partikler. I stedet kan en observatør enten se hvor den er eller hvor hurtigt den bevæger sig - men ikke begge på samme tid. Dette er en ubehagelig erkendelse: Selv fra det øjeblik Heisenberg forklarede sin ide, var Albert Einstein (blandt andre) urolig over det. Det er vigtigt at indse, at denne "kvantusikkerhed" ikke er en mangel på måleudstyr eller teknik, men snarere hvordan vores hjerner virker. Vi har udviklet sig til at være så vant til, hvordan den "klassiske verden" virker, at de faktiske fysiske mekanismer i "kvanteverdenen" simpelthen er uden for vores evne til fuldt ud at forstå.

Indtastning af kvanteverdenen

Hvis et objekt i kvanteverdenen rejser fra et sted til et andet, kan forskere ikke måle nøjagtigt, når det er gået, eller når det kommer frem. Grænserne for fysik pålægger en lille forsinkelse. Så uanset hvor hurtigt bevægelsen rent faktisk sker, vil den ikke blive opdaget før lidt senere. (Længden af ​​tid her er utrolig lille - quadrillionths of a second - men tilføje op over trillioner af computer beregninger.)

Denne forsinkelse reducerer effektivt den potentielle hastighed af en kvanteberegning - det pålægger det, vi kalder "kvantehastighedsgrænsen".

I de sidste par år har forskning, som min gruppe har bidraget betydeligt til, vist, hvordan denne kvantehastighedsgrænse bestemmes under forskellige forhold, f.eks. Ved anvendelse af forskellige typer materialer i forskellige magnetiske og elektriske felter. For hver af disse situationer er kvantehastighedsgrænsen lidt højere eller lidt lavere.

Til alles store overraskelse fandt vi endda, at nogle gange uventede faktorer kan hjælpe med at fremskynde tingene op, til tider på modstridende måder.

For at forstå denne situation kan det være nyttigt at forestille sig, at en partikel bevæger sig gennem vand: Partiklen fortrænger vandmolekyler, når den bevæger sig. Og efter at partiklen er gået, strømmer vandmolekylerne hurtigt tilbage, hvor de var, og efterlader ikke spor efter partiklens passage.

Forestil dig nu, at den samme partikel rejser gennem honning. Honning har en højere viskositet end vand - det er tykkere og flyder langsommere - så honningspartiklerne vil tage længere tid at flytte tilbage efter at partiklen bevæger sig videre. Men i kvanteverdenen kan den tilbagevendende strøm af honning opbygge tryk, der fremdriver kvantpartiklen fremad. Denne ekstra acceleration kan gøre en kvantepartikel hastighedsgrænse anderledes end hvad en observatør ellers ville forvente.

Design af kvantecomputere

Som forskere forstår mere om denne kvantehastighedsgrænse, vil det påvirke, hvordan kvantecomputerprocessorer er designet. Ligesom ingeniører har fundet ud af, hvordan man kan formindske transistorernes størrelse og pakke dem tættere sammen på en klassisk computerchip, skal de have en smart innovation for at opbygge de hurtigste mulige kvantesystemer, der fungerer så tæt som muligt på den ultimative hastighedsgrænse.

Der er meget for forskere som mig at udforske.Det er ikke klart, om kvantehastighedsgrænsen er så høj, at den er uopnåelig - som den bil, der aldrig vil komme tæt på lysets hastighed. Og vi forstår ikke fuldt ud, hvordan uventede elementer i miljøet - som for eksempel honning i eksemplet - kan bidrage til at fremskynde kvanteprocesserne. Da teknologier baseret på kvantfysik bliver mere almindelige, skal vi finde ud af mere om hvor grænserne for kvantefysik er, og hvordan man kan konstruere systemer, der udnytter den bedste fordel af det, vi ved.

Sebastian Deffner, assisterende professor i fysik, University of Maryland, Baltimore County

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den oprindelige artikel.


Video Supplement: Learn about the Quantum D-Wave - Now in 15 Languages.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com