100 yıllık kuantum hesaplama tarihinde, "kübitler" dünyayı ne zaman yönetecek? | Özellik
Kuantum uydusu "Mozi" Jiuquan Uydu Fırlatma Merkezinde başarıyla fırlatıldı. (Fotoğraf: Reuters / China Daily)
Titanyum Ortam Notu: Aşağıdaki makaleyi (tam metin 15.000 kelime) okumayı bitirmek 10 dakikadan uzun sürebilir, ancak size kesinlikle tavsiye etmeliyiz.
Birkaç gün önce açıklanan Nobel Fizik Ödülü, Amerika Birleşik Devletleri'nde Princeton Üniversitesi ve Brown Üniversitesi'nden iki akademisyene verilmiş, 1970'lerde ve 1980'lerde topolojinin matematiksel kavramını fiziğe tanıtmış ve bir "madde topolojisi" yapmışlardır. Fazdan topolojik faza geçiş üzerine teorik araştırma, basitçe maddenin garip durumunun incelenmesidir. Nobel Organizasyon Komitesi, elektronik ve süperiletkenlerin gelişimini onlara bağladı ve "gelecekte kuantum bilgisayarların gelişimine katkıda bulunabileceğini" söyledi.
Kuantum hesaplama nedir ve nerede devrim niteliğindedir? Titanium Media'nın "Özel Makaleler Grubu", kuantum hesaplamanın geçmişi ve bugünü ("İş Değeri" nin Ekim sayısının kapak makalesi) ayrıntılı bir çalışma ve ayıklama gerçekleştirdi. Bu makale aracılığıyla, en son teknoloji alanındaki araştırmamızı sizlerle paylaşacağız:
16 Ağustos 2016, 01:40 Pekin saati.
Çinin Long March serisi roketi Jiuquan Uydu Fırlatma Merkezindeki 234. fırlatma görevini başarıyla tamamladı. Bu sefer Uzay Ölçeğinde Kuantum Deneyleri (QUESS) ile donatıldı. Bu, dünyanın ilk kuantum uydusudur ve aynı zamanda, insanların uydular aracılığıyla dünya ile uzay arasındaki iletişimi ilk kez gerçekleştirmesidir.
New York Times, Mozi'nin önemi hakkında yorum yaptı: Bu, Çin'in kuantum araştırmalarının ön saflarında yer alması için önemli bir adımdır.
Şu anda, Çin'in kuantum uydusunun resmi olarak kurulmasının üzerinden sadece 5 yıldan az bir süre geçti. Pan Jianwei'nin 2003 yılında bir kuantum uydusu fırlatmayı önermesinin üzerinden sadece 13 yıl geçti ve Pan Jianwei'nin Çin'in ilk foton manipülasyon tesisini kurmak için Çin'e dönmesinden yalnızca 13 yıl önceydi. Kuantum özellikleri laboratuvarının sadece 15 yılı var.
Charles Bennett ve Gilles Brassard, 1984'te ilk kuantum anahtar dağıtım protokolünü (BB84 protokolü) ve 1948'de Claude Shannon'u (Claude Shannon) önerdiler. Elwood Shannon) modern bilgi teorisini sadece birkaç on yıl önce kurdu.
Shannon, bilgi kavramını tanımlamak için matematiği kullandıysa, BB84 protokolü herkese kuantum teorisinin iletişim için uygulanmasının geniş beklentilerini ve büyük hayal gücünü gösterdi. Bilgi göndereni ve alıcısı, anahtarı kuantum kanalı üzerinden belirledi ve belirsizlik ilkesine dayanarak, Bilgiye göz diken herhangi bir kulak misafiri veriyi, gönderen ve alıcının keşfedebilmesi için yok eder, bu da ilgili taraf tarafından keşfedilmeden hiç kimsenin bilgileri çalamamasını sağlar.
Bu, kuantum iletişiminin temeli ve en büyük avantajıdır. Bilgi almak ve göndermek için kuantum kanallarının ultra yüksek güvenlik, bilgi kapasitesi ve aktarım hızını kullanır.Bu, kuantum hesaplamanın gerçek dünyadaki en pratik senaryosu ve en uygun işlemidir. Seks uygulamalarından biri.
Aslında, Feynman kuantum bilgisayar fikrini 30 yıldan daha uzun bir süre öncesine kadar önermedi ve 100 yıl öncesine kadar, siyah cisim radyasyon problemini çözme sürecinde, Planck radyasyon kuantizasyonu fenomenini keşfetti.Enerjinin sadece küçük olabileceğini varsaydı. "Kuantum" kavramı, birbirinden farklı ve uzak enerji paketlerinde ilk kez salınır veya emilir. Bu temelde, yarım asırdan fazla süren bir gelişmeden sonra, kuantum teorisi ileriye taşındı ve klasik fiziksel teorilerden önemli ölçüde farklı beş özelliğe sahiptir:
Belirsizlik
Newton sisteminde, gözlem nesnesinin başlangıç konumu ve hızı bilindiği sürece yörüngesi tahmin edilebilir, ancak kuantum teorisinde tahmin edilebilecek tek şey olasılıktır.
Kuantum girişim (girişim)
Dalga teorisinde, iki uyumlu dalga kaynağı üst üste bindirildiğinde girişim meydana gelir.Kantum teorisinde, tek bir parçacık bile bu tür özellikleri gösterebilir.Bu nedenle, kuantum girişimi, tüm maddelerde dalga-parçacık ikilisinin var olmasını sağlar. Arasında.
Belirsizlik (belirsizlik)
Bu kuantum teorisinin özüdür, yani bir kuantumun konumunu ve momentumunu aynı anda anlayamayız ve bir örneği ölçtüğümüzde bu bilgiyi kaybedeceğiz.
Kuantum süperpozisyonu (süperpozisyon)
Bir kuantum, aynı anda iki izin verilebilir durumun doğrusal bir süperpozisyon durumunda olabilir, bu, bir kuantumun burada veya orada aynı anda olabileceği anlamına gelir.Dış çevre ile etkileşim sürecinde, kuantum bu özelliği kolayca kaybeder ve süperpozisyon durumu bir kuantumdur. Bilgi işlem ve kuantum iletişiminin temel amacı.
Kuantum dolanıklığı
Bu, aynı anda birden çok kuantumun güçlü kuantum bağıntılarının olduğu anlamına gelir. 1935'te Einstein ve diğerleri, kuantum kuramının bütünlüğünü sorgulamak için EPR paradoksunu önerdiler ve kuantum kuramını yerelleştirilmiş örtük değişim kuramıyla değiştirmeye çalıştılar. 1988'de Bell'in eşitsizliği, RPR varsayımını karşılayan iki parçacık arasındaki herhangi bir klasik korelasyonun belirli bir sayının altında olması gerektiğini ve iki dolaşık durumun kuantumunun bu eşitsizliğe uymadığını kanıtladı. Bu nedenle, kuantum dolanıklığı herhangi bir klasik korelasyonla açıklanamaz, yalnızca Kuantum dünyasında nadir görülen bir fenomen.
Kuantum teorisinin 100 yıldan fazla bir süredir geliştirilmesinde, bu zor fenomen ve kavramlar etrafında, insanlık tarihinin en iyilerinden biri olan dahilerin fikirlerini savunmak ve birbirleriyle savaşmak için ellerinden geleni yaptıklarını göreceğiz. II.Dünya Savaşı'ndan sonra, kuantum Teorinin bu özellikleri, modern bilim insanlarına yeni algoritmalar ve uygulamalar oluşturmada nasıl yardımcı olunacağı, dünyadaki başka bir olasılığı hayal etmek için kuantum iletişiminin, kuantum bilgisayarların ve diğer kuantum hesaplamanın nasıl kullanılacağıdır.
Tarihte, dünyanın çehresini kuantum mekaniği kadar derinden değiştiren bir teori hiç olmamıştı ve gelecekte insanlığa kuantum iletişimi ve kuantum hesaplama gibi sonsuz hayal gücü verebilecek bir teknoloji hiç olmamıştı.
Tim Berners-Lee'nin "World Wide Web" konseptini önerdiği 1989 yılına kadar değildi. İnternetin ilk prototipi 1969'da ortaya çıktı, ancak CSNET 1981'de piyasaya sürüldü. Önümüzdeki yıl TCP / IP protokolünün kurulması ve standardizasyonu gerçekten büyük bir hızla gelişti.
1994 yılına kadar tam anlamıyla dünyanın ilk akıllı telefonu çıktı. 1993'te İnternet tarihinin en ilkel arama motoru doğdu. 1956'dan önce kimse yapay zeka konusunda uzmanlaşmamıştı.
Akıllı telefonların ve internetin geliştirilme tecrübesi bize teknolojinin veya ürünlerin büyük başarılar elde etmek için mutlaka uzun vadeli birikime ve yağışa dayanmadığını, pazarın ve tüketicilerin ihtiyaçlarını karşılayan kaçınılmaz bir başarı olduğunu söylüyor. Yapay zekanın hikayesi, teknolojinin kendisinin darboğazını aşmanın ne kadar zor ve acı verici olduğunu da bize gösteriyor.
Son 3 yüzyılda, kuantum hesaplamanın gelişim yörüngesi sadece bilim ve teknoloji tarihi ile ilgili değil, sadece bilim adamlarının tarihi ile ilgili değil, sadece tarihsel bulmacanın bir parçası değil, bir anlamda tarihin ta kendisidir. Yörünge, gelişimini ve evrimini oluşturur.
Önsöz
21 Nisan 1820 gecesi, tarihte ilk kez alüminyum üreten ve Danimarka tarafından ülkenin ilk yapay uydusunu adlandırmak için kullanılan Hans Christian Andersen'in yakın arkadaşı olan fizikçi Hans Christian, deney sırasında yanlışlıkla keşfedildi. Akım açıldığında, pusulanın tele çok yakın olan manyetik iğnesi sapar ve sapma derecesi o kadar azdır ki, hemen hemen herkes bu küçük detayı fark etmedi.Ancak Oersted, bu sefer, kazara dolu olduğunu fark etti. Beklenmeyen keşif, elektrik şoklarıyla dünyayı şok etti.
Oersted asistanıyla elektromanyetik deneyler yapıyor. (Louis Figuier: Les merveilles de la science, ou Açıklama populaire des inventions modernes (1867), sayfa 713)
Bu anın fırsatını sadece 3 ay sonra değerlendiren Oersted, Latince olarak Avrupa'daki üniversitelere 4 sayfalık bir rapor "Experimenta circa effecturn contrastus electrici" (Experimenta circa effecturn contatus electrici) yayınladı. acum Magneticam içinde). Bir eczacının oğlu böylece fiziğin tüm gelişimini altüst etti.
Daha sonra, André-Marie Ampère ve Michael Faraday gibi büyük dahiler elektromanyetiğin arkasındaki fiziği keşfetme çabalarından vazgeçmediler. 1831 yılına gelindiğinde, Faraday sonunda makine tahrikini ve manyetizmayı elektrik üretmek için birlikte çalıştırmayı başardı. Bu yıl, James Clerk Maxwell de Edinburgh'da doğdu.
Amperein elektromanyetik teorisi, yükler arasında aşırı mesafe kuvveti olduğu inancına dayanırken, Faraday yakın mesafeli eylemde ısrar ediyor. Bununla birlikte, Henry Cavendish (Henry Cavendish) ve Charles Cullen (Charles Augustin) De Coulomb) ve diğerlerinin araştırmasında, uzaktan etki başarıyla ölçüldü ve o zamanki fiziksel olayların çoğu başarıyla açıklandı.
Bu bağlamda, Faraday'ın kuvvet hatları ve elektrotonik durum kavramı o dönemde fizik camiasında fazla ilgi ve ilgi görmedi. Bununla birlikte, Maxwell dahi çok geçmeden Faraday'ın düşüncesinin önemini anladı ve matematiksel yöntemlerle elektromanyetiğin arkasındaki ilişkiyi daha da keşfetmeye çalıştı.
1865'te genç Maxwell, Newton'un mekanik modelini tamamen terk ettiği ve elektromanyetik alan teorisini tamamen ortaya koyduğu bir konferansta "Elektromanyetik Alanın Dinamik Bir Teorisi" (Elektromanyetik Alanın Dinamik Bir Teorisi) adlı makalesini okudu. İlk olarak "alan" kavramını ortaya attı.Ayrıca Maxwell, 20 denklem ve 20 değişken içeren genel bir elektromanyetik alan denklemleri sistemi önerdi. 1890'a kadar Hertz sadece 4 vektör denkleminin basitleştirmesini vermedi. denklem seti.
Belirli bir bakış açısına göre, kuantum mekaniğinin anlaşılmasını ve kabul edilmesini teşvik eden, Maxwell'in düşüncesinin ve onun dahice denklemlerinin uzun doğrulama süreciydi.
Her şeyden önce, her iki okul da değişmez bir şekilde matematik diline çok fazla yetenek ve enerji yatırdı ve olağanüstü başarılar elde etti, tıpkı Maxwell'in elektromanyetik alanını tanımlamak için mekanik modellerden vazgeçmesi gibi, teorisinin yeni teoriler ve uygulamalar açmasını sağlaması gibi. Benzer şekilde, kuantum mekaniği de kelimelerin kullanımını bıraktı ve doğal dünyayı ve fiziği tanımlamak için geometriye yöneldi.
İkincisi, kuantum mekaniği fizikçileri ve Maxwell, teorik sistemin yapısında daha derin bir benzerliğe sahiptirler.Evreni iki katmana bölerler.İlk katman, Schrödinger'in fonksiyonel denklemini, Heisenberg matrisini ve Dirac'ın vektör durumunu içerir. Bu katman doğru bir şekilde hesaplanabilir ancak gözlemlenemez İkinci katman, tam olarak hesaplanamayan ancak gözlemlenebilen radyasyon polarizasyon yoğunluğunu, kuantum dönüşünü vb. Kapsar.
Maxwell, kuantum mekaniği gibi, doğanın birinci seviyede saf matematik dünyasında bulunduğuna, ikinci seviyede ise insanların mekanik dünyada bulunduğuna inanmaktadır.Bu nedenle, doğayı tanımlamak için ikinci seviye dili kullanamayız, ancak sadece matematiksel dil kullanabilir. Bunu gerçekleştir.
Fizikçi Freeman Dyson, Maxwellin başarıları üzerine şu şekilde yorum yaptı: Maxwell teorisinin en büyük önemi, yalnızca elektromanyetik fenomeni doğrudan açıklamak ve birleştirmek değil, aynı zamanda 20. yüzyıldaki tüm büyük fiziksel keşiflerin prototipini sağlamaktır. Bu büyük keşifler, Einstein'ın görelilik teorisi ve kuantum mekaniğidir. "
Maxwell 1879'da vefat etti. 60 yıl sonra, fiziksel düşüncelerindeki dehanın parlaklığını fark eden yetenekli fizikçiler Erwin Schrödinger ve Werner Karl Heisenberg idi. Yaratılış tanrısı gibi yeni bir kuantum mekaniği yüzyılı açan Paul Dirac'tı.
Yeni Dünya
Kuantum mekaniğini kimsenin anlamadığını söyleyebilirim.
-Richard Feynman (Richard Feynman)
Planck, "Energieelement" kavramını önerdi ve daha sonra a ifadesini "kuantum" olarak revize etti.
1874'te Max Planck, akıl hocasından araştırmanın yönünü sordu ve ona fizik alanında keşfedilecek hiçbir şey olmadığını ve geriye kalan tek şeyin boşlukları doldurmak olduğunu söyledi. Açıkçası, bu akıl hocası da dahil olmak üzere çoğu insan, şu anda fizik kurallarının açıkladığı dünyadan zaten memnun ve gelecek yüzyılda yeni ve dünyayı sarsan bir devrimin fırtına gibi vuracağının farkında değillerdi. Gel.
Bu dönemdeki tarihsel ve sosyal gelişme, çelik ve kimya endüstrilerinin hızla gelişmesine yol açtı.Aynı zamanda, kentsel aydınlatma gibi altyapı projeleri de tüm hızıyla devam ediyordu ve bunların hepsi, radyasyon yoğunluğu ve ısı arasındaki ilişkiye dair daha fazla gereklilik ortaya koydu. Alman İmparatorluk Teknik Fizik Enstitüsü'nden (Physikalisch-Technischen Reichsanstalt) fizikçi Wilhelm Wien, 1896'da Wien formülünü ortaya koydu.
Başlangıçta Planck, yalnızca Wienin türetme sürecinin yeterince titiz olmadığını düşündü ve onu daha ayrıntılı ve titiz bir şekilde değiştirmeye çalıştı. Bununla birlikte, 1899'da bir dizi başka deney, bu formülün yalnızca dalga boyu daha kısa olduğunda kullanılabileceğini gösterdi. Deneysel sonuçlar, sıcaklık düşükken elde edildi. Ayrıca bu yıl John William Strutt yüksek sıcaklık için formülünü önerdi - 1905'te fizikçi James Hopwood Jeans revize etti Bu, gelecekteki Rayleigh-Kings formülüdür.
Bununla birlikte, bu formül düşük frekanslardaki deneysel sonuçlarla tutarlı olsa da, yayılan enerji frekanstaki artışla süresiz olarak arttığından, Paul Ehrenfest'in klasik fiziğin sıkıntısı dediği şey budur. "Ultraviyole felaketi" (ultraviyole felaketi).
20. yüzyılın ilk yılına giren İngiliz fizikçi William Thomson, "Isı ve Işık Dinamik Teorisi Üzerine Ondokuzuncu Yüzyıl Bulutları" adlı kitabında (Isı ve Işık Dinamik Teorisi Üzerine Ondokuzuncu Yüzyıl Bulutları) yazdı. Konuşmanın açılış konuşması şöyleydi: "Isıyı ve ışığı bir hareket modu olarak tanıyan dinamik teorinin güzelliği ve netliği artık iki kara bulutla örtülüyor."
76 yaşındaki Lord Kelvin'in gözünde kara bulut, Albert Abraham Michelson ve Edward Morley tarafından eterin varlığını doğrulamak için yapılan deneylerin başarısızlığıdır. Diğeri "ultraviyole felaketi" dir.
Ancak yeni yüzyıldaki bu nesil, doğal olarak devlerin omuzlarına seleflerinin gölgesinde bir hapishane çekmeye isteksizdir ve bu nedenle, yeni bir devrim dalgası yavaş yavaş fizik dünyasını kasıp kavurmuştur ve son derece hızlı gelmiştir.
Bu yılın Ekim ayında, Planck ve Heinrich Rubens (Heinrich Rubens) 12 günden daha kısa bir süre içinde yeni bir radyasyon formülü önermek için birlikte çalıştılar ve tüm deneysel sonuçlar bunu kanıtladı. Formül doğrudur, ancak ondan memnun değildir. 14 Aralık'ta, tekrarlanan düşünme sürecinde termodinamiğin ikinci yasasından vazgeçen Planck, Alman Fizik Cemiyeti'nde "Normal Spektrumun Enerji Dağıtım Yasası Teorisi" (Zur Theorie des Gesetzes der) adlı makalesini duyurdu. Energieverteilung im Normalspectrum).
Planck, "Energieelement" (Energieelement) kavramını önerdi ve daha sonra bu ifadeyi "Elementarquantum" (Elementarquantum) olarak revize etti; burada Planck, daha sonra Planck sabiti tarafından kullanılan eylem kuantumunu önerdi. h:
Bu görüşü alıyoruz ve E'nin sonlu sayıda eşit parçadan oluştuğunu düşünüyoruz, bu nedenle doğal sabitleri uyguluyoruz:
Yeni yüzyılın ilk yılının son zamanlarında, kuantum mekaniği aniden gök gürültüsü gibi göründü ve görünüşte görkemli fizik salonunun köşesine gizlice, sonraki yüzyılda klasik fizik dünya sistemini yavaş yavaş alt üst edecek bir fünye gömdü.
Bu yıl, 21 yaşındaki Albert Einstein, Zürih ETH'de bir öğretim diploması almıştı ve şu anda fizik tarihini yeniden yazan bir tez yazmak için beş yılı var.
1905'te ışık kuantumlarını tartışan, atomların varlığını belirleyen ve özel görelilik öneren 4 makalenin yayınlanmasıyla, küçük bir patent ofisi katibi olan Einstein, tüm fizik camiasının odak noktası haline geldi ve ertesi yıl Planck'ın kuantum hipotezini uyguladı. Walther Hermann Nernst, katıların özgül ısısının araştırılmasında, Şubat 1910'da, Einstein'ın teorisinin doğruluğunu kanıtlayan kendi deneysel sonuçlarını yayınladı.
1911'deki ilk Solvay Konferansı katılımcılarının Brüksel'deki Metropolitan Hotel'de çekilmiş bir grup fotoğrafı.
Kuantum teorisinin fiziksel sorunları başarıyla açıkladığı ilk kez, bu yüzden doğal olarak fizik camiasının dikkatini çekti. 1911'de, çokuluslu kimyasal grup Solvay'ın sponsorluğunda, Belçika'da ilk Solvay Konferansı düzenlendi. Langke, Hendrik Antoon Lorentz, Marie Skodowska Curie, Jules Henri Poincaré, Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld, Einstein vb. Dahil edilen fizikçiler bu konferansta hazır bulundu ve bu konferansın konusu kuantum radyasyon teorisiydi.
Avrupa'da savaşın patlak vermesinin atmosferi gittikçe daha acil hale gelse de, kuantum teorisi araştırması dış çevreden etkilenmedi, daha büyük ilerleme kaydetti, tüm Avrupa'daki fizikçileri yavaş yavaş dünyaya ateşleyen bir kıvılcım gibi. Anlama ve analiz dehası.
1913'te Bohr (Niels Henrik David Bohr) "Atomların ve Moleküllerin Anayasası Üzerine" (Atom ve Moleküllerin Anayasası Üzerine) başlıklı üç makale yayınlayarak, kuantum hipotezini atom teorisi ile birleştirmek için Planck sabitini tanıttı. Bohr, atomik bir model kurdu ve aynı zamanda spektrumun emisyon ve absorpsiyonunu netleştirdi ve kuantum teorisini önemli bir ilerleme haline getiren elementlerin periyodik tablosunu başarıyla açıkladı.
Bununla birlikte, Bohr'un teorisinin kendisi, kuantum teorisi ve klasik mekaniğin birleşimine dayanmaktadır.Hâlâ birçok kusuru vardır.Sadece spektrumun yoğunluğunu ve yapısını hesaplayamaz, aynı zamanda amonyak atomlarının spektrumunu da açıklayamaz.
Fenomen çözmedeki artan zorluk ile Bohr gibi fizikçiler klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki çelişkiye düştüler ve 1920'lerin ortalarına gelindiğinde bu çelişki giderek daha belirgin hale geldi. O zamanki durumu hatırlatan Wolfgang Ernst Pauli'nin tutumu o dönem fizik dünyasının içinde bulunduğu kötü durumu yansıtıyordu: "O zamanlar fizik yine bir ikilem içindeydi. Her halükarda benim için çok zordu. Umarım nasıl olur? Ben bir komedyenim ya da öyle bir şey, keşke fiziği hiç duymamış olsam. "
Bununla birlikte, Bohr ve Pauli hala inatla doktrinlerine yapışırken veya hiçbir şey yapamazken, başka bir grup insan yeni yollar bulmaya ve kuantum teorilerini büyük ölçüde değiştirmeye ve geliştirmeye devam etmeye başladı.
1923'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, gerçek parçacıkların dalga-parçacık ikiliğine sahip olduğuna dikkat çekti ve Schrödinger'e ikincisini yapmasına ilham veren "faz dalgası" kavramını önerdi. Üç yıl sonra, dalga dinamiği için yeni bir yol oluşturuldu. Pauli 1924'te uyumsuzluk ilkesini önerdi ve ertesi yıl Hollandalı fizikçi Ehlenfest'in iki öğrencisi Uhlenbeck (George Eugene Uhlenbeck) ve Goudsmit (Samuel Goudsmit) buna dayanıyordu. Cesur bir elektron spini fikri önceki sayfada ortaya konmuştu.
1925'te Heisenberg, "Kinematik ve Dinamikler Arasındaki İlişkinin Kuantum-Teorik Yeniden Yapılandırılması" (über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen) başlıklı makaleyi yayınladı ve matris mekaniğinin olduğu ortaya çıktı. O zamandan beri kuantum mekaniği ilk kez fizik tarihinin büyük aşamasına girdi ve bu sahnedeki en göz kamaştırıcı yıldız haline geldi.
İki yıl sonra, Heisenberg belirsizlik ilkesini önerdi.Aynı yıl, Bohr tamamlayıcılık ilkesini önerdi.Klasik fiziğin birbirini dışlayan özelliklerinin kuantum mekaniğinde, dalga-parçacık ikiliğinde ve hatta birbirini tamamlayabileceğine inanıyordu. Belirsizlik ilkesi, kuantum mekaniğinin bu özelliğinin somutlaşmış halidir.
1927'deki Solvay Konferansı, insanlık tarihindeki en yetenekli fizikçileri bir araya getirdi. (Fotoğraf Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay, Brüksel, Belçika)
1927'de beşinci Solvay Konferansı düzenlendi.Tema başlangıçta "elektronlar ve fotonlar" olarak belirlendi, ancak konferansta Bohr, Heisenberg, De Broglie ve Einstein kılavuzlu dalga teorisi ve matris mekaniği etrafında döndüler. Kuantum mekaniği konusu tartışıldığında, Einstein, Bohr ve diğerleri tarafından kuantum mekaniğinin yorumlanmasına karşı çıktığını ima etti, ancak Bohr bunu istemeyerek de olsa karşılık verdi.Sonunda, iki taraf da diğerini gerçekten ikna edemedi.
Üç yıl sonra, altıncı Solvay Konferansı'nda, Einstein ilk olarak belirsizlik teoremini sorgulamak için bir foton kutusu deneyi kullandı. Ertesi güne kadar, Bohr ve diğerleri Einstein'ın argümanındaki boşlukları buldular. Einstein'ın belirsizlik ilkesinin rasyonelliğini kabul etmesini engelleyerek ikincisine karşı savaştı.Aslında bu, Einstein'ın 1927 toplantısında Born ve Heisenberg'in defalarca vurguladıklarını kısaca kabul ettiği anlamına geliyordu. Kuantum mekaniğinin tam bir teori olduğu görüşü.
Einstein, hayatı boyunca kuantum mekaniğine şüpheyle yaklaştı. Ancak, bizzat Einstein'ın dediği gibi, Tanrı'ya asla inanmadı Einstein'ın zihninde din denebilecek tek şey, dünyanın yapısına bilimle açıklanabilecek sonsuz saygısıdır.
Kuantum mekaniğiyle ilgili tartışma burada bitmedi. 1935 ve 1949'dan itibaren, Einstein tarafından temsil edilen EPR okulu ve Bohr Kopenhag okulu üç tartışma yürüttü. Kuantum mekaniğinin gelişmesiyle, gerçekler ne olursa olsun kanıtladı. Bohr ve Kopenhag okulu ya da Einstein olsun, hiç kimse bu kuantum mekaniği tartışmasını tamamen kaybetmedi ve kimse onu tamamen kazanamadı. Kuantumu teşvik eden bu tür şiddetli tartışmalar ve bilimsel bakış açısına olan ısrar ve tutumdur. Mekanik konusu en dinç ve canlılıkla parlıyor.
Kuantum mekaniği tartışması tüm hızıyla devam ederken, savaşlar da tüm dünyaya yayılıyor.Savaşlar eski dünya düzenini yok ederken, bilim ve teknolojinin gelişimini de büyük ölçüde destekledi ve kuantum hesaplamanın ilk filizlenmesi II.Dünya Savaşı'nda gerçekleşti.
Başlangıç
19. yüzyılda, İngiliz İmparatorluğu gelişiyordu. Bilim alanında, Birleşik Krallık da parlıyordu. Maxwellin şok edici elektromanyetik teorisi gelişip doğarken, Charles Babbage de başarısız olmaya çalışıyordu. Fark motoru ve analiz motorunu tamamlamak için, ekipmanların montajı ve tam çalışması ölüme kadar tamamlanamamış olsa da, mantıksal işlemler yoluyla karmaşık matematiksel işlemleri gerçekleştirebilen bu ekipman prototipleri, insanların genel amaçlı bilgisayar imkanını fark etmelerini sağlamıştır.
1936'da Alan Turing, modern bilgisayar konseptini önerdi. (Kaynak: NPL / Bilim Müzesi)
1936'da Alan Turing, "Hesaplanabilir Sayılar Üzerine, Entscheidungs Problemine Bir Uygulama ile" başlıklı makalesinde modern bilgisayarlar kavramını ortaya koydu. Böyle bir cihazı açıklar: "Tüm hesaplanabilir serileri hesaplayabilen bir cihaz icat etmek tamamen mümkündür."
1944'te, dünyanın ilk elektronik dijital programlanabilir bilgisayar devi (Colossus) Birleşik Krallık'ta ortaya çıktı.Amaç Alman iletişim şifresini kırmaktı.Soğuk Savaş sırasında Birleşik Krallık'ın Lorenz Şifresini (Lorenz Şifresi) kırma yeteneğini gizlemek. Aslında Churchill, dev bilgisayarların çoğunun yok edilmesini emretti. 1946'da ENIAC, Amerika Birleşik Devletleri'nde açığa çıktı.Savaş zamanında, bu ekipmanın tasarımının ana amacı topçu ateşleme masasını hesaplamaktı ve ilk projesi ayrıca termonükleer silahların fizibilitesini hesaplamayı da içeriyordu.
Savaşın sona ermesi ve toplumdaki her kesimden gençleşme ihtiyaçlarının ortaya çıkmasıyla birlikte, muazzam ama hesaplamada inanılmaz avantajları olan bilgisayarlar, savaş sırasında gizli cephelerden sivil ve ticari alanlarda giderek daha fazla görünmeye başladı.
1951'de Ferranti, Manchester Üniversitesi için dünyanın ilk ticari bilgisayarı Ferranti Mark 1'i geliştirdi ve aynı yıl ABD Sayım Bürosu, dünyanın ilk büyük ölçekli üretilen bilgisayarı olan UNIVAC I'i satın aldı. Bilgisayar, yalnızca 3 yıl sonra, IBM "görece" daha küçük ve daha ucuz bir bilgisayar IBM 650'yi piyasaya sürdü. Bu ekipman 900 kilogramdan fazla net ağırlığa sahip ve güç kaynağı cihazı dahil edildikten sonra 1.35 tonun üzerinde ve fiyatı 500.000 dolara kadar çıkıyor. Ya da aylık kira 3500 dolar.
1947'de çift gövdeli transistör çıktı ve kademeli olarak önceki bilgisayar tasarımında vakum tüpünün yerini aldı. 1953'te, dünyanın ilk çalıştırılabilir transistör bilgisayarı İngiltere'de çıktı. İki yıl sonra bir diğeri 200 transistör içeriyordu. 1.300 katı hal diyotlu transistörlü bilgisayarlar çıktı. Vakum tüpleriyle karşılaştırıldığında, transistörler daha küçüktür, daha az enerji tüketir, daha kararlıdır ve daha uzun ömürlüdür, ancak en önemlisi on binlerce mantık devresini tutabilirler. 1952'de, entegre devreler kavramı ilk kez Geoffrey W.A. Dummer tarafından önerildi ve altı yıl sonra, dünyanın ilk operasyonel entegre devresi çıktı. Transistörlerin ve entegre devrelerin ortaya çıkması, bilgisayarların daha hızlı çalışma hızlarına ve daha güçlü bilgi işlem yeteneklerine sahip olduğu anlamına gelir.
1965 yılında, Intel'in kurucu ortağı Gordon Moore, sonraki nesiller tarafından desteklenen ve sonra oluşturulan makalesinde Moore Yasası'nı önerdi. 10 yıl sonra, Moore kendisi bu yasayı yeniden ayarladı: "Bu on yılın sonunda , Eğim derecesi (bir yarı iletken çip üzerine entegre edilmiş transistörlerin ve dirençlerin sayısı) yaklaşık olarak iki yılda bir ikiye katlanacaktır. "
Bilgisayarların gelişim yörüngesi Mooreun tahminlerini şaşırtmadan takip ediyor. Halk, bilgisayarların minyatürleştirilmesi, düşük maliyeti ve performans iyileştirmesinin getirdiği kolaylık ve avantajlardan yararlanmaya devam ediyor. Bununla birlikte, bilim topluluğu son derece endişelidir. Çok sayıda yeni konu ve proje acilen daha güçlü hesaplama ekipmanının yardımına ihtiyaç duyar. Altas, CDC6600, Cray iki nesil ve Fuji "Sayısal Rüzgar Tüneli" (Sayısal Rüzgar Tüneli) ve 1990'larda ortaya çıkan Hitachi SR2201 gibi süper bilgisayarlar, bilim adamlarının ihtiyaçlarını bir ölçüde çözmüş olsalar da, o dönemde hala bilgisayarların yeteneklerinden memnun değiller ve acilen yeni, daha güçlü ve daha hızlı bir bilgisayar ekipmanına ihtiyaç duyuyorlar.
Kutuda kayıp
Matematiksel olarak, bir algoritma, bir fonksiyonun etkili bir şekilde hesaplanması için bir yöntemdir.Algoritma araştırması için önemli bir giriş noktası, etkili bir şekilde hesaplanabilen bir fonksiyon bulmaktır.Bu tip bir fonksiyona, özyinelemeli fonksiyon denir.
1931'de Kurt Friedrich Gödel, daha sonra topluca Gödel'in eksiklik teoremi olarak anılacak iki teoremi önerdi ve ispatladı.Gödel'in eksiklik teoremine göre, matematikteki algoritmalarla bazı fonksiyonlar hesaplanamaz.
Gödel, "hesaplama" nın net bir tanımını yaptı: Bu tanımlar kağıt üzerinde farklı görünse de, hepsi aynı tür hesaplanabilir işleve aittir. Kilise-Döndürme tezi öyle bir yargıya varıyor ki, algoritma üzerinde hesaplanabilen herhangi bir fonksiyon, Turing makinesi tarafından hesaplanabilir.
Bilgisayar bilimcileri, çalışma süresi girdinin boyutuyla birlikte bir polinom genişlemesi gibi artan bir algoritmayı "polinom zaman" olarak adlandırırlar. Bir problem polinom zaman ile çözülebilirse, herkes ona karmaşıklık sınıfı derler. P'nin en problemli P tipi problemleri etkili algoritmalarla çözülür, ancak P tipine ait olmayan problemlerin çoğu ne kadar sürerse sürsün çözülemez.
Strong Church-Turing Thesis'e (Strong Church-Turing Thesis) göre, eğer fiziksel bir bilgisayarda hesaplanabilir bir fonksiyonu hesaplama zamanı T ise, Turing makinesindeki zaman O (Tc ) ve buradaki c sabiti yalnızca bilgisayar tarafından kullanılan işlevin türüne göre belirlenir.
Dijital bilgisayarların ortaya çıkmasıyla, makinenin kendisinin sınırlı kapasitesi ve süresi nedeniyle, hesaplanabilir ve hesaplanamaz arasındaki fark, Peter Williston Shor gibi bilgisayarların pratik uygulamasında gittikçe daha önemli hale geliyor. O, "Eğer tüm bilgisayarlar hesaplanabilir bir işlevden geçerken güneş yanarsa, bu pratik açıdan hiç iyi değil."
Sonuç olarak, geleneksel algoritmadan çok farklı yeni bir bilgisayar türü ortaya çıkmak üzere.
1970 yılında Steven Wiesner, kuantum bilgi işlemenin, kuantum hesaplamanın en eski kıvılcımı olan kriptografik mantığı çözmek için daha iyi bir yol olduğunu varsaydı. 10 yıldan fazla bir süre sonra, Edward Fredkin'in tersine çevrilebilir bilgi işlem konseptinden esinlenerek, Feynman bu yeni yolu herkes için açtı.
Feynman, kuantum mekaniği fenomenine dayalı bir bilgisayarın suya yakın olma avantajına sahip olduğuna inanıyor.
"Doğa klasik değildir. Doğayı simüle etmek istiyorsanız, kuantum mekaniğini kullansanız iyi olur."
1982'de yayınlanan bir makalede, Nobel Ödülü sahibi Feynman, kuantum mekaniğini bir bilgisayarda doğal olarak simüle etmenin katlanarak artan yatırım gerektirdiğine inanıyordu ve önerisi kuantum bilgisayarları kullanmak. Feynman, kuantum mekaniği fenomenine dayalı bir bilgisayarın, kuantum mekaniği fenomenini taklit etmede ilk etapta suya yakın olma avantajına sahip olduğuna inanıyor. 1980'lerin başlarında, Paul Benioff, Turing makinasının mikro mekanik sistem modelini bilgisayar modeli yapma imkanı.
1985'te Oxford Üniversitesi'nden David Deutsch bir makalede kuantum hesaplamanın soyut bir modelini verdi, ancak şu anda herkesin sorusu hala kuantum bilgisayarların hangi pratik problemleri çözebileceğidir. Yedi yıl sonra Dao Chi ve Richard Jozsa gazetede olumlu yanıtlarını verdiler:
"Belirleyici algoritmalara dayalı herhangi bir klasik bilgisayarla karşılaştırıldığında, kuantum bilgisayarların sorunları çözmek için çok daha az zaman harcar; kuantum bilgisayarlar ayrıca rastgele algoritmalara dayalı herhangi bir bilgisayardan nispeten daha az zaman alır."
Ancak bir kuantum bilgisayar fikri yeterli olmaktan uzaktır Algoritma desteği olmayan bilgisayarlar şüphesiz hayal etme aşamasında kalmaktan uzaktır.Herkesi kuantum bilgisayarların muazzam ilerlemesine ikna etmek için daha ikna edici olmaları gerekir. gerçek.
1990'lardan itibaren, kuantum hesaplama araştırması eşi görülmemiş verimli sonuçlar elde etti.Büyük şirket laboratuvarları ve kurumlarının ortak teşviki altında, kuantum hesaplama, bilim adamlarının makalelerindeki fikirleri ve algoritmaları aşamalı olarak gerçeğe dönüştürdü. İmalat makinesinde.
1994 yılında, Bell Labs'den Huell, herkese kuantum algoritmasının büyük sayıların asal çarpanlarını o sırada bilinen herhangi bir bilgisayardan daha hızlı ayrıştırdığını gösteren bir makale yayınladı - 1000 basamaklı bir sayıyı, geleneksel Bir bilgisayar için yaklaşık 10 yıl ("On Tzu Suan Jing", "On Binlerce Bin Milyar, Trilyonlarca Milyar ve Onlarca Büyük Başkent" içerir) yıl alırken, kuantum bilgisayarları kullanırken sadece 20 dakika sürer.
Huelin kuantum algoritması, şifreleme algoritmaları ve RSA gibi sistemler üzerinde bariz bir etkiye sahip olacaktır. Bundan önce, bir RSA 129-bit şifreyi ve 1.600 bilgisayar kullanıcısını kırmak 8 ay sürdü. Ancak, RSA'yı kırmak için kuantum algoritmaları kullanıldı. 140 basamaklı parola yalnızca birkaç saniye sürer.
Hugh'nun keşfi bir kuantum bilgisayar fırtınasına neden oldu.Sadece fizik ve bilgisayar bilimi alanlarını taramakla kalmadı, aynı zamanda onlara yeni hesaplama araçlarının büyük potansiyelini hissettirdi. Ayrıca, her zaman RSA algoritmasını kullanmaya inanan ulusal departmanları ve departmanları dahil etmeyi mümkün kıldı. Şirketler bu kavramı ciddiye almaya başlıyor.
İlk kez, bir kuantum bilgisayar bir bilim adamının fildişi kulesinden dünyaya yürüdü.
1995 yılında Benjamin Schumacher, kübit bilişim kavramını ilk kez önerdiği ve "kübit" (kübit) terimini yarattığı bir makale yayınladı.
Bit (bit) geleneksel bilgisayarlardaki en temel yapı taşıdır ve sadece 0 veya 1 durumu arasında bulunur. Kuantum bilgisayarlarda durum böyle değildir. Kuantum mekaniği bize kuantumun üst üste binme durumu özelliklerine sahip olduğunu söyler Bu nedenle, kuantum bilgisayardaki bit, yani bir kübit, 0 ve 1 durumuna sahiptir. 1 veya 0 olabilir. Kuantum paralelliğine dayanarak, bu iki durumu iki farklı evrende olarak kabul edebiliriz, sonra bir kübit hesaplama yaptığında, iki evrendeki değerler aslında aynı anda yürütülür.
3 kübit içeren kayıt
3 bit 8 durumu temsil edebilir, ancak yazmaç sonuçlardan yalnızca birini kaydedebilir ve 3 kübitten oluşan kayıt da doğrusal üst üste binme durum etkisine sahiptir, böylece 8 sayısal sonuç aynı anda kaydedilebilir. Böylesine basit bir örnekle, bir kuantum bilgisayarın şaşırtıcı hesaplama gücünün, aynı sayıda (n'ye ayarlanmış) bitlere sahip klasik bir bilgisayarınkinin 2n katı olduğu görülebilir.
Teoride, bir kübitin depolayabileceği bilgi sonsuzdur. Ölçüldüğünde, durumu bazı özel koşulları karşılayan kübit, 0 veya 1 gibi bir sonuç çıkaracaktır. Durum çöküşü, aksine, kübit içinde depolanan bilgi her zaman dinamik evrim sürecinde olacaktır ve bilgi kuantum geçidinden okunabilir.
Ayrıştırılacak nesne olarak 15 sayısını aldığımızı, N olarak ayarladığımızı, rastgele bir sayı seçtiğimizi ve X olarak ayarladığımızı varsayalım ve 1
Bu işlemin sonuçlarını şu şekilde sıralıyoruz:
Yukarıdaki hesaplamanın sonucunun (1, 2, 4, 8, 1, 2, 4, 8 ...) tekrarlı bir dizisini gösterdiğini bulacağız. Tekrar sıklığını f olarak adlandırıyoruz. Sonra bu işlemde, f Değer 4'tür.
B yazmacındaki bir dizi karmaşık işlemin yürütülmesi yoluyla, yukarıdaki f bir kuantum bilgisayarda elde edilebilir ve elde edilen f değeri, olası bir faktörü hesaplamak için aşağıdaki formüle getirilecektir. Elde edilen sonuç doğru olmayabilir, ancak f değerini oluşturan kuantum girişimi, doğru sonucu elemek ve yanlış yanıtı ortadan kaldırmak için tekrar tekrar x'in yerini almaya çalışacaktır.
1996·Lov Kumar Grover N 101N
1995·Andrew Steane
computational complexity theoryintractabilitytractability
- (adiabatic algorithm)
2000MITNortheastern UniversityAdiabatic Algorithms2004
- Measurement-Based Algorithms
unitary evolutionteleportation quantum computingone way quantum computer2003
- Topological-Quantum-Field-Theory Algorithms
2000
1996·Seth Lloyd
199722000Los Alamos National Laboratory7
2001IBM7153 × 5104143
20058201014
2012 IBM 3D100s1
90IBMMIT420
D-Wave200716Orion927
D-Wave
simulated annealing(Quantum annealing)
AB A B
·Umesh Vazirani D-Wave 16 D-Wave
4128D-Wave OneRainier10004·D-Wave
D-WaveD-Wave One
D-Wave
MIT·Scott Aaronson D-Wave Chief D-Wave Skeptic2007D-Wave
D-Wave OneD-WaveNatureD-WaveD-Wave
4 D-Wave
2012D-WaveD-Wave512D-Wave Two GoogleNASAAmes Research CenterQuantum Artificial Intelligence Lab
D-Wave3600Prog-QAPD-Wave1.2Prog-QUBO160
D-Wave
D-Wave Two
D-Wave 2X Photo by Stephen Lam/Reuters
D-Wave2015chimera graph1152 D-Wave 2X
IBM5D-Wave 101050~100IBM·Arvind Krishna
D-WavePPTCTO·Geordie Rose33.1
10
19
2002ID Quantique10·Mike Lazaridis12.7
1970·quantum money1983BB84
1992super-dense coding protocolteleportation protocol
20
199310448199940
20008501.120041252005132009820101620
Mozi'nin lansmanına ek olarak, Pekin ile Şangay arasında inşa edilen 2.000 kilometrelik "Pekin-Şangay Ana Hattı" dünyanın ilk kuantum iletişim ağıdır.
· D-Wave NASA D-Wave
Aslında kuantum hesaplama, yüksek teknoloji teknolojileri arasında sinerji elde etmek için yapay zeka ve makine öğreniminin evrimini de destekleyebilir.
1999·Aram W. Harrow·Avinatan Hassidim·Seth LloydONk)O(log(N)k2)
high-dimensional vector spacestensor product spaces
HHL support vector machine
GoogleAmazonFacebook
2015
2025203050~100
3
BT·201610/
201610
ID taimeiti
