Wie können Quantencomputer überhaupt Daten speichern?

Wenn Sie ein Qubit messen, zwingen Sie es dazu (und finden Sie heraus, ob es so ist), entweder ganz an oder ganz aus. Wenn alles eingeschaltet war, drehen Sie es um. Jetzt ist das Qubit definitiv komplett ausgeschaltet.

Verwenden Sie diesen Prozess, um so viele Qubits wie nötig auf Null zu setzen, und führen Sie dann Ihre Berechnung aus.

Beachten Sie, dass der von mir beschriebene Prozess keine negative Entropie erzeugt (was gegen die Thermodynamik verstoßen würde). Es bewegt Neg-Entropie aus der Umgebung und in das Qubit. Was mir sehr deutlich wird, wenn ich mir einen Schaltplan des Prozesses anschaue :

Wenn der untere Draht nicht in einem bekannten Zustand (in diesem Fall Aus) beginnen würde, würde die Schaltung nicht das tun, was die Zustandsanzeigen sagen. Glücklicherweise haben wir diesen riesigen Weltraum-Nuklearofen , der reichlich Neg-Entropie liefert.

Bei Quantencomputern werden wie bei klassischen Computern zu Beginn des Prozesses die Anfangszustände (Variablen) gesetzt.

Angenommen, Sie schreiben ein gewöhnliches Computerprogramm, um die größte Primzahl kleiner als zu finden$N$; Sie könnten das Sieb des Eratosthenes verwenden . Am Ende des Vorgangs hat Ihr Computerprogramm viele Zahlen in seinem Arbeitsspeicher, und Sie müssen das Ergebnis auswählen und es über einen Ausgabekanal, z. B. eine Anzeige oder eine Nachricht, mit der Außenwelt teilen.

Derzeit gibt es nur wenige Quantencomputing-Algorithmen , und jeder hat eine Methode zur Extraktion der Lösung. Quanteninformation und Kryptographie sind verwandte Gebiete, die dieselben Quantentechniken verwenden.

Es ist ein sehr reichhaltiges Gebiet und erfordert einen Hintergrund in Mathematik und Informatik; Wenn Sie daran interessiert sind, solche Geräte zu bauen, erfordert dies einen sehr starken Hintergrund in Physik und Ingenieurwesen.

Genau wie in den frühen Tagen der Computer gibt es keine Programmiersprachen. Stattdessen arbeitet man mit einer Reihe von Quantenlogikgattern, die jeweils durch eine Matrix dargestellt werden können. Dies bedeutet, dass die erforderliche Mathematik lineare Algebra ist, die das Studium der Matrizenalgebra umfasst.

Wie würden Sie in einem Computerprogramm den Inhalt zweier Variablen vertauschen? Es ist ein grundlegendes, aber bekanntes Problem beim Programmieren, denn sobald Sie den Wert einer Variablen der anderen zuweisen, verlieren Sie die enthaltenen Informationen, um die Operation an der anderen Variablen auszuführen.

Ein gängiger Ansatz besteht also darin, eine dritte Variable zu verwenden:

Swap a, b
   c = a
   a = b
   b = c

Ein weniger bekannter Ansatz besteht darin, dass eine Variable Informationen von beiden enthält, ohne dass eine dritte Variable verwendet werden muss:

Swap a, b
    a = a + b
    b = a - b
    a = a - b

Das Endergebnis ist identisch. Die Werte von a und b werden vertauscht, aber im zweiten Fall haben Sie dies getan, ohne zusätzlichen Speicherplatz zu benötigen. Es gibt mehrere Komplikationen, auf die ich nicht eingehen werde, warum die zweite Technik problematisch sein könnte, aber mit relativ kleinen Werten von a und b können Sie es auf diese zweite Weise tun.

Man kann sich ein qbit so vorstellen, dass es die kumulativen Zustände von 0 und 1 enthält. Durch Ausführen von Operationen an diesen qbits, ähnlich wie die Variablen a und b vorübergehend die Werte für a und b enthielten, ohne dass eine dritte Variable erforderlich war. Und in gewissem Sinne enthält es viel mehr Informationen, als eine 0 oder 1 jemals enthalten könnte. Sobald sie gemessen ist, kollabiert die Welle und Sie erhalten sehr wahrscheinlich eine sehr gute Annäherung, wenn nicht sogar eine perfekte Antwort. Die Tatsache, dass es einen Wert zwischen 0 und 1 darstellen kann, bedeutet, dass es Operationen kombinieren kann, die alle Werte im Lösungsraum haben würden, und anstatt sich mit jeder Möglichkeit befassen zu müssen, haben Sie es nur mit einer zu tun, wodurch die Menge reduziert wird von Zeit erheblich.

Derzeit können nur spezielle Berechnungen durchgeführt werden, sodass die Funktionalität moderner CPUs wahrscheinlich nicht ersetzt wird, aber wir versuchen immer, uns neue Wege zur Nutzung dieser neuen Technologie vorzustellen. Ihre Generation sieht möglicherweise noch die Entwicklung von CPUs mit Quantenkernen.

Ich hoffe, das hat Ihre Frage beantwortet.

Viele Quantenalgorithmen (wie Grovers Algorithmus für effiziente Suchen) haben ein probabilistisches Ergebnis – nachdem Sie den Algorithmus ausgeführt und eine abschließende Messung durchgeführt haben, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Sie das richtige Ergebnis erhalten, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Sie ein erhalten falsches Ergebnis. Aber die Wahrscheinlichkeit, ein falsches Ergebnis zu erhalten, nimmt mit jeder weiteren Ausführung des Kernalgorithmus ab, sodass Sie ihn nur so lange ausführen müssen, bis Sie nur noch eine Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,01 % oder eine beliebige akzeptable Marge haben.

Wie Peter Diehr sagte, ist das Entwerfen eines guten Quantenalgorithmus schwierig, weil man einen Trick finden muss, der dazu führt, dass die Wahrscheinlichkeit der richtigen Antwort jedes Mal steigt. Wenn Sie dies nicht schaffen, erhalten Sie tatsächlich jedes Mal, wenn Sie den Algorithmus ausführen, ein zufälliges Ergebnis, und es ist völlig wertlos. Im Moment scheint dies nur für bestimmte sehr spezifische Algorithmen möglich zu sein, sodass Quantencomputer höchstwahrscheinlich nur für diese speziellen Aufgaben verwendet werden und normale Computer nicht für Dinge wie das Ausführen einer Textverarbeitung ersetzen werden.

Was bedeutet es zu sagen, dass ein System zum Speichern von Informationen verwendet werden kann? Das bedeutet, dass Sie den Zustand des Systems ändern können, sodass Sie beim Betrachten etwas herausfinden, das Sie zuvor möglicherweise nicht gewusst haben.

Im Allgemeinen sagt die Quantenmechanik Wahrscheinlichkeiten von Ergebnissen von Messungen eines Systems voraus. Und die Quantenmechanik gilt nicht nur für mikroskopisch kleine Objekte, sondern auch für alles um Sie herum. Ein Quantencomputer wäre in der Lage, jedes physikalische System mit jeder gewünschten Genauigkeit zu simulieren, und so könnte er das Verhalten eines relativ großen Objekts wie Ihres Computers simulieren.

Die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Ergebnisses beim Messen einer bestimmten Eigenschaft eines Quantensystems kann eins sein. Wenn beispielsweise der vierte Buchstabe in Ihrem Word-Dokument „a“ ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass der vierte Buchstabe „a“ ist, eins. Ein Quantencomputer, der Ihren Computer simuliert, würde dann den Wert dieses Buchstabens speichern. Dies wäre keine gute Verwendung eines Quantencomputers, aber die Gesetze der Physik schließen dies nicht aus.

Bei einigen anderen Systemen ist die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Ergebnisses möglicherweise nicht eins. Beispielsweise kann die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom nach zwei Minuten radioaktiv zerfällt, etwa 1/5 betragen. Wenn ein Quantencomputer das Atom genau simuliert, dann wäre die Wahrscheinlichkeit des Ergebnisses, einen Wert im Computer zu sehen, der besagt, dass das simulierte Atom zerfallen ist, 1/5. Sie können das herausfinden, indem Sie den Computer viele Male laufen lassen. Wenn Sie nun den Computer mit einem ungenauen Modell programmiert haben, kann er einen anderen Wert für die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls als 1/5 angeben, sagen wir 1/6. Sie würden dann feststellen, dass das Modell, das Sie in den Computer programmiert hatten, nicht genau darstellte, was das System tat. Da Sie also durch Messen des Computers etwas herausgefunden haben, speicherte er Informationen.

Weitere Erläuterungen zum Quantencomputing finden Sie in „The Fabric of Reality“ von David Deutsch, Kapitel 2 und 9, und „The Beginning of Infinity“ von David Deutsch, Kapitel 11.