Hvordan kvantemekanik kan ændre databehandling

I begyndelsen af ​​juli, Google annoncerede, at det vil udvide sine kommercielt tilgængelige cloud computing-tjenester til at omfatte kvantecomputere. En lignende tjeneste har været tilgængelig fra IBM siden maj. Det er ikke tjenester, de fleste almindelige mennesker vil have en masse grund til at bruge endnu. Men at gøre kvantecomputere mere tilgængelige vil hjælpe regeringen, akademiske og virksomhedsforskningsgrupper rundt om i verden fortsætter deres undersøgelse af kvantecomputerens muligheder.

At forstå, hvordan disse systemer fungerer, kræver at man udforsker et andet fysikområde, end de fleste mennesker kender til. Fra hverdagens erfaring er vi bekendt med det, fysikere kalder "klassisk mekanik, "som styrer det meste af verden, vi kan se med vores egne øjne, hvad der sker, når en bil rammer en bygning, hvilken vej en bold tager, når den kastes, og hvorfor det er svært at trække en køler hen over en sandstrand.

Kvantemekanik, imidlertid, beskriver det subatomære område - protonernes adfærd, elektroner og fotoner. Kvantemekanikkens love er meget forskellige fra den klassiske mekaniks og kan føre til nogle uventede og kontraintuitive resultater, såsom ideen om, at et objekt kan have negativ masse.

Fysikere over hele verden – i regeringen, akademiske og virksomhedsforskningsgrupper – fortsæt med at udforske implementeringer af teknologier i den virkelige verden baseret på kvantemekanik. Og dataloger, inklusiv mig, søger at forstå, hvordan disse teknologier kan bruges til at fremme databehandling og kryptografi.

En kort introduktion til kvantefysik

I vores almindelige liv, vi er vant til, at ting eksisterer i en veldefineret tilstand:En pære er enten tændt eller slukket, for eksempel. Men i kvanteverdenen, objekter kan eksistere i en, hvad der kaldes en superposition af tilstande:En hypotetisk pære på atomniveau kunne være både tændt og slukket samtidigt. Denne mærkelige funktion har vigtige konsekvenser for databehandling.

Den mindste informationsenhed i klassisk mekanik – og, derfor, klassiske computere – er lidt, som kan have en værdi på enten 0 eller 1, men aldrig begge dele på samme tid. Som resultat, hver bit kan kun indeholde ét stykke information. Sådanne stykker, som kan repræsenteres som elektriske impulser, ændringer i magnetiske felter, eller endda en fysisk tænd-sluk-knap, danne grundlag for al beregning, lagring og kommunikation i nutidens computere og informationsnetværk.

Qubits – kvantebits – er kvanteækvivalenten til klassiske bits. En grundlæggende forskel er, at på grund af superposition, qubits kan samtidigt have værdier på både 0 og 1. Fysiske realiseringer af qubits skal i sagens natur være på en atomær skala:f.eks. i en elektrons spin eller polariseringen af ​​en foton.

Beregning med qubits

En anden forskel er, at klassiske bits kan betjenes uafhængigt af hinanden:At vende en bit på et sted har ingen effekt på bits på andre steder. Qubits, imidlertid, kan sættes op ved hjælp af en kvantemekanisk egenskab kaldet entanglement, så de er afhængige af hinanden - også når de er langt fra hinanden. Dette betyder, at operationer udført på én qubit af en kvantecomputer kan påvirke flere andre qubits samtidigt. Denne ejendom - beslægtet med, men ikke det samme som, parallel behandling – kan gøre kvanteberegning meget hurtigere end i klassiske systemer.

Storskala kvantecomputere – dvs. kvantecomputere med hundredvis af qubits – eksisterer ikke endnu, og er udfordrende at bygge, fordi de kræver, at operationer og målinger udføres på atomær skala. IBMs kvantecomputer, for eksempel, har i øjeblikket 16 qubits, og Google lover en 49-qubit kvantecomputer – hvilket ville være et forbløffende fremskridt – inden årets udgang. (I modsætning, bærbare computere har i øjeblikket flere gigabyte RAM, med en gigabyte på otte milliarder klassiske bits.)

Et kraftfuldt værktøj

På trods af vanskeligheden ved at bygge fungerende kvantecomputere, teoretikere fortsætter med at udforske deres potentiale. I 1994, Peter Shor viste, at kvantecomputere hurtigt kunne løse de komplicerede matematiske problemer, der ligger til grund for alle almindeligt anvendte kryptografisystemer med offentlig nøgle, som dem, der giver sikre forbindelser til webbrowsere. En storstilet kvantecomputer ville fuldstændig kompromittere sikkerheden på internettet, som vi kender det. Kryptografer udforsker aktivt nye offentlige nøgletilgange, der ville være "kvanteresistente, "i hvert fald så vidt de ved i øjeblikket.

Interessant nok, kvantemekanikkens love kan også bruges til at designe kryptosystemer, der er, i nogle forstand, mere sikre end deres klassiske analoger. For eksempel, kvantenøglefordeling giver to parter mulighed for at dele en hemmelighed, som ingen aflytter kan gendanne ved brug af enten klassiske eller kvantecomputere. Disse systemer – og andre baseret på kvantecomputere – kan blive nyttige i fremtiden, enten bredt eller i mere nicheapplikationer. Men en vigtig udfordring er at få dem til at arbejde i den virkelige verden, og over store afstande.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.