Tại sao và làm thế nào một máy tính lượng tử nhanh hơn một máy tính thông thường?

Tôi hiện đang đọc một cuốn sách (và rất nhiều wikipedia) về vật lý lượng tử và tôi vẫn chưa hiểu làm thế nào một máy tính lượng tử có thể nhanh hơn các máy tính chúng ta có ngày nay.

Làm thế nào một máy tính lượng tử có thể giải quyết một vấn đề trong thời gian theo cấp số nhân mà một máy tính cổ điển chỉ có thể giải quyết trong thời gian theo cấp số nhân?

Một máy tính lượng tử tự nó không nhanh hơn. Thay vào đó, nó có một mô hình tính toán khác . Trong mô hình này, có các thuật toán cho một số vấn đề nhất định (không phải tất cả!), Nhanh hơn bất thường so với các thuật toán cổ điển nhanh nhất có thể (hoặc nhanh nhất được biết, đối với một số vấn đề).

Tôi khuyên bạn nên đọc Giới hạn lượng tử của Scott Aaronson: đây là một bài viết phổ biến ngắn giải thích những gì chúng ta có thể mong đợi từ máy tính lượng tử.

Ý tưởng cơ bản là các thiết bị lượng tử có thể ở một số trạng thái cùng một lúc. Thông thường, một hạt có thể có spin lên và xuống cùng một lúc. Điều này được gọi là chồng chất. Nếu bạn kết hợp n hạt, bạn có thể có một cái gì đó có thể chồng lên trạng thái. Sau đó, nếu bạn quản lý để mở rộng, giả sử, hoạt động của bolean sang trạng thái chồng (hoặc ký hiệu chồng lên), bạn có thể thực hiện một số tính toán cùng một lúc. Điều này có những hạn chế nhưng có thể tăng tốc một số thuật toán. Một vấn đề lớn về thể chất là khó duy trì sự chồng chất trên các hệ thống lớn hơn.$2^n$

đây là một vấn đề mở đối với nghiên cứu tiên tiến, liệu thuật toán lượng tử sẽ nhanh hơn thuật toán "cổ điển" cả ở cấp độ lý thuyết và ứng dụng. trong lý thuyết phức tạp, nó được phản ánh trong câu hỏi, ví dụ BQP =? P tức là liệu lớp "P" tính toán lượng tử có tương đương hay không với lớp P (Thời gian đa thức) cổ điển & có nhiều câu hỏi mở liên quan khác.

có một điểm dữ liệu rất hấp dẫn và có ý nghĩa: thuật toán Shors từng đoạt giải thưởng có các yếu tố số trong thời gian lượng tử P, nhưng vẫn chưa biết liệu có tồn tại thuật toán bao thanh toán cổ điển P-time hay không.

một hướng đi mới trong vài năm qua là nghiên cứu về điện toán lượng tử đáng tin cậy, dễ thực hiện / kỹ sư hơn các phương pháp tiêu chuẩn khác liên quan đến vận chuyển qbit (nhưng vẫn cực kỳ khó thực hiện).

(các) máy tính lượng tử duy nhất từng được chế tạo cho đến nay là bởi các hệ thống Dwave và hiện đang chịu sự kiểm tra và tranh cãi khoa học mạnh mẽ về hiệu ứng & hiệu suất lượng tử thực tế của nó; nó rất đắt và về cơ bản không vượt trội so với máy tính để bàn, khi mã cổ điển được tối ưu hóa hoàn toàn (con người / tay-). tuy nhiên có thể nói rõ rằng không có tổ chức nghiên cứu đại học, chính phủ hoặc trường đại học nào khác dường như ở bất kỳ nơi nào gần với mức độ tiến bộ ứng dụng / kỹ thuật / kỹ thuật của họ cho đến nay.

các khoa học viễn là mây tại thời điểm và một số khoa học chuyên gia / nhà phê bình / người hoài nghi như Dyakonov từ lâu đã tin / tranh luận mạnh mẽ rằng khả năng mở rộng các máy tính QM sẽ không bao giờ thành hiện thực do trục trặc kỹ thuật không thể vượt qua và / hoặc các rào cản.

Ive có một bằng chứng nói rằng ngay cả sức mạnh lượng tử cũng có giới hạn của nó.

Máy tính lượng tử cảm thấy rất khó thậm chí để có được một kilobit qbit. Nhưng ngay cả khi họ chỉ đến đó, nó vẫn khá mạnh mẽ.

16384 qbit sẽ tạo ra 128 kích thước không gian bằng 128 bước thời gian, tìm kiếm đầy đủ, thật tuyệt vời, cây xác suất 100 bước 100 lần !!! nhưng không mong đợi nhiều hơn số tiền đó cho lượng tử trong tương lai gần.

Hệ thống lượng tử là một hệ thống tồn tại ở trạng thái lượng tử ở các xác suất khác nhau được xác định bởi các ràng buộc môi trường. Giả sử rằng một máy tính lượng tử chứa tất cả các trạng thái của hệ thống lượng tử n bit, việc trích xuất một trong những trạng thái này làm sập hệ thống vào một trong các trạng thái. Đây giống như một hàm băm sử dụng O (1) để tìm kiếm một nhóm mà không cần lặp lại. Hai điều cần thiết là lưu trữ lượng tử của các hệ thống n-bit và một hàm giống như hàm băm để thu gọn trạng thái cần thiết. Các ràng buộc đóng vai trò của các hàm băm khác nhau để thu gọn hệ thống n-bit vào trạng thái mong muốn.

Hãy nghĩ về nó theo cách này: Có những vấn đề có thể được giải quyết bằng cách giải quyết rất nhiều trường hợp con riêng lẻ [ví dụ: bao thanh toán bằng cách phân chia thử nghiệm]. Những vấn đề này mất nhiều thời gian để giải quyết nếu người ta phải giải quyết các trường hợp phụ lần lượt. Chúng có thể được giải quyết nhanh hơn nhiều nếu người ta có thể cung cấp đủ phần cứng để giải quyết song song tất cả các trường hợp con, nhưng điều đó không thực tế vì số lượng phần cứng cần thiết tăng theo kích thước sự cố. Điện toán lượng tử khai thác chồng chất của Cơ học lượng tử để mô phỏng việc cung cấp đủ phần cứng - tức là mỗi trạng thái trong chồng chất là 'cỗ máy' cho một trong các trường hợp phụ. Lưu ý rằng mô phỏng này được thực hiện KHÔNG bằng phần mềm, mà bởi chính Thiên nhiên.