Mechanika kwantowa jest teorią szczegółowo opracowaną już w połowie lat 20. XX wieku, która opisuje zachowania nie możliwe do przewidzenia, z punktu widzenia klasycznej mechaniki. Pomimo, że teoria kwantów ma już prawie 100 lat, dopiero dzisiaj naukowcy są w stanie dzięki niej budować komputery znacznie bardziej wydajne niż te o tradycyjnej konstrukcji.
Czym jest komputer kwantowy?
Komputer kwantowy podobnie jak zwykły komputer jest układem fizycznym, którego ewolucja powoduje rozwiązanie określonego problemu obliczeniowego. W przypadku komputera kwantowego, do opisu tego układu fizycznego potrzebna jest jednak mechanika kwantowa, ponieważ opisanie go za pomocą mechaniki klasycznej, jest niemożliwe.
Historia powstania komputera kwantowego
Pierwsze podstawy teoretyczne dające pewne dane, mogące zostać wykorzystane przy budowie komputerów kwantowych zostały opracowanej już na początku lat 80. Przez Paula Benioffa z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Kompletna praca naukowa opisująca teorię działania kwantowego komputera powstała niedługo potem. Autorem był David Deutsch z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Go grupy naukowca dołączył wkrótce także polski informatyk, matematyk i fizyk Artur Ekert. Dzięki temu pomysł kwantowego urządzenia zyskał szerszy rozgłos, a kolejne prace nad nim trwały. W 1994 roku Peter Short z AT&T Bell Labs stworzył algorytm, który był w stanie rozkładać bardzo duże liczby na iloczyny liczb pierwszych. Dało to początek pierwszym komputerom kwantowym.
Zasada działania komputera kwantowego
Dane zawarte w komputerach kwantowych reprezentowane są przez aktualny stan kwantowy układu fizycznego, który stanowi komputer. Proces obliczeniowy przebiega poprzez ewolucję układu kwantowego i stworzenie odpowiedniego algorytmu kwantowego, pozwalającego na osiągnięcie wyników znacznie lepszych oraz szybszych niż za pomocą komputerów tradycyjnych.
Każdy komputer kwantowy składa się z kilku podstawowych elementów, takich jak kwantowe bramki logiczne, spełniające te same zadania co zwykłe bramki logiczne, działające jednak na odmiennej zasadzie. Pozwala to na tworzenie tzw. kubitów czyli bitów kwantowych. W przeciwieństwie do bitów, kubit zgodnie z teorią kwantów nie ma ustalonej wartości 1 lub 0 w trakcje trwania obliczeń i w tym czasie znajduje się on w stanie pośrednim. Kubit jako kwantowa superpozycja 1 i 0 jest z zasady wartością niepewną, jednak obliczenie jest wykonywane wielokrotnie i całą serią, dzięki czemu do otrzymania wyniku można wykorzystać teorię prawdopodobieństwa uśredniając otrzymane wyniki. Im więcej obliczeń, tym wynik będzie dokładniejszy. Informacje zawarte w kubicie są znacznie obszerniejsze niż w zero-jedynkowym bicie, dlatego też posługując się kubitami, możliwe jest wykonywanie wielu obliczeń jednocześnie.
Zalety komputera kwantowego
Komputer kwantowy nie odbiega swoim przeznaczeniem od klasycznego komputera, jednak jego największą zaletą jest szybkość, z jaką jest on w stanie wykonać zadane obliczenia. Dzięki temu zakres ich zastosowań jest znacznie większy niż tradycyjnych komputerów. Wiele obliczeń zajmujących obecnie zbyt dużo czasu zwykłym komputerom, komputer kwantowy byłby w stanie zrealizować w znacznie szybkiej. Wiele problemów wymagających obliczenia w czasie przewidzianym teoretycznie, który przekracza długość ludzkiego życia, komputer kwantowy potrafi obliczyć w czasie realnie krótszym.