我在中学的时候,我读了一本非常受欢迎的书关于编程的基本(这是当时最流行的编程语言对于初学者来说)。但那是1986年,我们没有电脑在家里或学校。所以,我只能在纸上编写计算机程序,不能够试穿一个实际的计算机。
令人惊讶的是,我现在做similar-I量子计算机研究如何解决问题。我们还没有一个完全功能的量子计算机。但我试图弄明白量子计算机将能够做当我们构建它们。
量子计算机的故事开始于1981年,理查德·费曼,也许最著名的物理学家。会议上物理和计算在麻省理工学院,费曼问这个问题:我们可以在电脑上模拟物理吗?
答案不完全正确。或者,更precisely-not物理学。物理学的一个分支量子力学研究自然法则的单个原子和粒子。如果我们试图模拟量子力学在电脑上,我们遇到的一个基本问题。量子物理学有很多变量的完整描述,我们不能跟踪他们在电脑上。
如果一个粒子可以被描述为两个变量,然后描述最一般的n个粒子的状态,我们需要2 n变量。如果我们有100个粒子,我们需要2100个变量,也就是大约30 0。这个数字太大,电脑永远不会有这么多的记忆。
就其本身而言,这个问题没有什么new-many物理学家已经知道。但费曼把它一步。他问我们是否能够把这个问题转化为积极的东西:如果我们不能在电脑上模拟量子物理学,也许我们可以建立一个量子力学计算机比普通电脑会更好吗?
这个问题问最著名的物理学家。然而,在接下来的几年里,几乎什么也没发生。量子计算机的概念是新的,所以不寻常的,没人知道如何开始思考它。
但费曼不停地告诉他的想法给别人,一次又一次。他设法激发少数人开始思考:一个量子计算机是什么样子的呢?它能做什么?
量子力学,量子计算机的基础,出现在试图理解物质与光的本质。在19世纪,物理学的大难题之一是颜色。
物体的颜色是由光的颜色,它吸收和反映了光的颜色。在原子层面上,我们有一个原子的电子绕着原子核。一个电子可以吸收光的粒子(光子),这导致电子跳到另一个绕原子核。
在19世纪,与加热气体的实验表明,每种类型的原子只有吸收和发射光的一些特定的频率。例如,氢原子发出的可见光仅由四个特定的颜色。最大的问题是:我们如何解释呢?
物理学家们花了数十年寻找公式,预测各种原子发出的光的颜色和模型能够解释它。最终,这个难题解决了1913年,丹麦物理学家尼尔斯·波尔时假定原子和粒子根据物理定律,完全不同于我们所看到的在宏观范围内。(1922年,波尔,他将成为一个研究所成员频繁,被授予诺贝尔奖这一发现)。
理解的差异,我们可以对比地球(绕太阳)和电子(这是绕着一个原子的原子核)。地球可以在任何距离太阳的远近。地球物理定律不禁止的轨道离太阳一百米或一百米。相比之下,波尔的模型只允许在某些电子轨道而不是之间的轨道。因此,电子只能吸收光线的颜色,对应于两个有效的轨道之间的区别。
大约在同一时间,其他游戏关于光和物质被假定原子和解决粒子不同于宏观物体。最终,这导致了量子力学的理论,这也解释了这些差异,使用少量的基本原则。
量子力学是一个争论不休的对象。波尔说,“任何人不震惊量子力学尚未理解它。“阿尔伯特·爱因斯坦认为量子力学不应该是正确的。,即使在今天,流行的关于量子力学的讲座常常强调量子力学的奇异性的主要观点。
但是我有不同的意见。量子力学是如何发现的道路非常扭曲的和复杂的。但是这条路的最终结果,量子力学的基本原理,很简单。有一些事情不同于经典物理和一个必须接受这些。但是,一旦你接受他们,量子力学很简单和自然。从本质上讲,可以认为量子力学是一个泛化的概率理论概率可以是负的。
在过去的几十年里,研究在量子力学已经进入一个新阶段。前,研究人员的目标是理解自然法则根据量子系统的功能。在许多情况下,这是成功地实现。新目标是操纵和控制量子系统,这样他们的行为以规定的方式。
这使得研究更接近于计算机科学的精神。艾伦关键,一个优秀的计算机科学家,曾经为自然科学和计算机科学之间的区别在以下方式。bob苹果下载在自然bob苹果下载科学,自然给了我们这个世界,我们发现中国的法律。在电脑上,我们可以把法律进,创造世界。实验在量子物理现在创造人工物理系统服从量子力学定律,但在自然界中是不存在的在正常情况下。
这类人造量子系统的一个例子是一个量子计算机。量子计算机编码量子态和计算的信息执行量子操作。
有几种量子计算机的任务将是有用的。最常提到的一个是,量子计算机将能够阅读秘密信息在互联网上交流使用当前技术(比如RSA、diffie - hellman和其他密码协议是基于数论的硬度问题分解和离散对数等)。但也有许多其他有趣的应用程序。
首先,如果我们有一个量子计算机,它将有助于科学家进行虚拟实验。量子系统的量子计算了费曼的观察很难模型在传统计算机。如果我们有一个量子计算机,我们可以用它来量子系统模型。(这就是所谓的“量子模拟。”)为例,我们可以模型原子和粒子的行为在不寻常的条件(例如,非常高的能量只能在大型强子对撞机中创建)没有实际创建这些不寻常的条件。或者我们可以模型化学反应因为原子化学反应之间的交互是一个量子过程。
量子计算机的另一个用途是搜索海量数据。假设我们有一个大的电话簿,下令由个人的名字按字母顺序(而不是电话号码)。如果我们想找的人的电话号码6097348000,我们必须穿过整个电话簿,看看每一个条目。一百万电话号码的电话簿,可能需要一百万步。1996年,值列表Grover从贝尔实验室发现,量子计算机能够做同样的任务与一千年而不是一百万年的步骤。
更普遍的是,量子计算机有用时我们必须找到一些大量的数据:“海里捞针”——这是正确的电话号码或完全不同的东西。
另一个例子是,如果我们想要找到两个相等的数字在一个大的数据量。如果我们有一百万个数字,一个经典的计算机可能需要看看所有的一百万步。我们发现,量子计算机可以大大缩小的时间。
所有这些成就的量子计算是基于相同的量子力学效应。在一个高水平,这些被称为量子并行性和量子干涉。
传统的计算机处理信息的编码为0和1。如果我们有一个序列的30 0和1,它拥有大约十亿的可能值。然而,古典电脑只能在其中的十亿个国家在同一时间。量子计算机可以在量子组合所有这些州,称为叠加。这允许它来执行十亿或更多的副本同时计算。在某种程度上,这是与十亿年类似于并行计算机处理器执行不同的计算在同一地一个重要的不同之处。并行计算机,我们需要十亿个不同的处理器。在量子计算机中,所有十亿计算将在相同的硬件上运行。这被称为量子并行性。
这一过程的结果是一个量子态编码十亿计算的结果。所面临的挑战的人设计的量子计算机算法(比如我)是:我们如何访问这些十亿的结果吗?如果我们测量这个量子态,我们可以得到的一个结果。所有其他的999999999个结果就会消失。
为了解决这个问题,一个使用第二个效应,量子干涉。考虑这一过程可以在几种不同的方式得出相同的结果。在non-quantum世界中,如果有两个可能的路径走向一个结果和每条路径的概率是¼,获得这个结果的总体概率是¼¼+ =½。量子,两条路径可以干预,增加成功的概率为1。
量子算法结合这两个效果。量子并行性是用来执行大量计算的同时,和量子干涉用于将结果合并到的东西都是有意义的,可以测量根据量子力学定律。
最大的挑战是建立一个大规模的量子计算机。有几种方法可以做到这一点。到目前为止,最好的结果已经通过使用离子被困。离子是一个原子失去一个或更多的电子。离子陷阱是由电场和磁场组成的一个系统,它可以捕获离子和保持他们的位置。使用一个离子阱,可以安排一个离子在一条线,定期。
一个可以编码0的最低能态离子和1到一个更高的能量状态。然后,执行计算使用光来操纵的离子。在一群实验Rainer蜚蠊的因斯布鲁克大学的奥地利,这已成功执行14离子。下一步是规模更大的技术被困的离子的数量。
还有许多其他的路径对建立量子计算机。而不是困离子,可以使用电子或光子的粒子。甚至可以使用一个更复杂的对象,例如,超导体的电流。最近实验由一群由加利福尼亚大学的约翰•马提尼圣芭芭拉分校,显示如何执行量子操作在一个或两个量子比特与很高的精度从99.4%到99.92%使用超导技术。
有趣的事情是,所有这些物理系统,从原子到超导电流,根据行为相同的物理定律。他们都可以执行量子计算。推进这些技术与实验物理学的一个基本问题:孤立量子系统从环境和控制精度高。这是一个非常困难的,同时,一个非常基本的任务和能够控制量子系统将用于其他目的。
除了建立量子计算机,我们可以使用信息的想法去思考物理定律的信息,用0和1。就是这样我学会了量子mechanics-I开始作为一名计算机科学家,和我学会了量子力学的学习量子计算。我认为这是最好的学习方式量子力学。
量子力学可以用来描述许多物理系统,和在每种情况下,有许多技术细节具体到特定的物理系统。与此同时,有一个共同的核心原则,所有这些物理系统服从。
量子信息的细节进行了抽象,具体到一个特定的物理系统和关注的原则是常见的量子系统。因此,研究量子信息说明了量子力学的基本概念更好的比任何其他。有一天,这可能成为学习量子力学的标准方法。
对我自己来说,主要的问题仍然是:量子计算机将如何有用吗?我们知道他们会更快的许多计算任务,从建模自然搜索大量的数据。我认为有更多的应用程序和,也许,最重要的仍然是等待被发现。
