量子コンピューター：それは何であり、どのように機能するか

O コンピューター量子 実行できるプログラム可能なデバイスです 計算およびアルゴリズム 量子システムに保存されている情報の操作と読み取りを通じて 原子、分子、 陽子, 電子 そして フォトン. このタイプのコンピューターでは、 ビット量子、 これにより、このタイプのコンピューターはその性質上、タスクを実行できるようになります。 それは電子計算機で作られるのに数千年あるいは数百万年かかるでしょう。

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量子コンピューターはどのように機能しますか？

君は コンピューター量子 パスに基づく通常のコンピュータとは完全に異なります 電流 小さなデバイスを介して 半導体、と呼ばれる トランジスタ. この新しいタイプのコンピューターは、最も多様な量子システムで動作できますが、最も一般的な実装です。 読む スピン、などの粒子に存在する量子特性 陽子, フォトン そして 電子。

量子コンピューターの背後にあるロジックも、コンピューターで使用されているものとは少し異なります 古典は、論理的な文を介して動作し、その可能な結果は数字の0と 1.

電子計算機と量子計算機の違いは 自然確率論的 与える 量子物理学、読む前に ビット量子、 そのステータスは、0または1だけでなく、 交差点 これらの状態の間。 まるで量子コンピューターのように、「はい」、「いいえ」、そして両方の答えが同時に認められたようです。 量子世界の確率をよりよく理解したい場合は、 ハイゼンベルグの不確定性原理.

2019年にGoogleによって開発された53キュービット量子プロセッサ。 [1]

量子コンピューターを特別なものにしている奇妙な性質は、 崩壊与える職業に波。 すべての量子系はそれぞれの波動関数によって完全に記述されていますが、量子系を見る前に、そのいくつかを探します 肉体的な素晴らしさ 測定可能なもの（質量、電荷、磁場など）、波動関数はサポートできます これらの数量ごとに複数の値 そして、これらの値のそれぞれが測定される確率があります。

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あなたは自分自身に問いかけているかもしれません-量子メジャーの可能な値を事前に知らないことの利点は何ですか？ 答えは次のとおりです。たとえば、計算を行う前に、量子ビットの性質により、正しい答えが可能性の中にあることが保証されました。 言い換えれば、コンピュータはすでに持っていたと言うことができます

多くの結果を考慮、計算の答えを得る前でも。 これにより、 時間計算 それは複雑な問題の解決にも費やされます 大幅に削減.

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量子コンピューターの可能性

しかし、結局のところ、私たちは量子コンピューターで何ができるでしょうか？ 可能性が非常に高い, 量子コンピューター 些細な目的には使用されません インターネットを閲覧したり、ビデオを見たりするのと同じように、これらの目的のために、電子コンピュータは量子コンピュータよりもはるかに安価であることに加えて、非常に効率的です。

しかし、私たちが話すとき 計算コンプレックス、 暗号化にパスワード銀行、量子コンピューターの使用は非常に役立ちます。 量子コンピューターを完全に機能するデバイスにすることができれば、 シミュレートする 地球の気候ダイナミクス、銀河形成、生命システムのシミュレーション、その他多くの可能性など、私たちが不可能だと思ったことはありません。

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量子ビット-量子ビット

量子ビットはしばしば量子ビット（量子ビット）と呼ばれます。 これらのキュービットは、電子コンピュータで使用されるビットからの大きな飛躍を表しています。 状態0と1を同時に持つことができます. 実際には、量子コンピューターの容量がビット数に対して指数関数的であるかのようです。1ビットの量子コンピューターです。 は従来の2ビット電子コンピューターと同等であり、2ビット量子コンピューターは4ビットコンピューターと同等です。 エレクトロニクス。 量子ビットの容量を古典的なビットとの対応に関連付ける以下の表を参照してください。

量子ビットの量	クラシックビットマッチング
1キュービット	2ビット
2キュービット	4ビット
10キュービット	1024ビット
20キュービット	1048576ビット
64キュービット	1,84.10^19 ビット
512キュービット	1,34.10^154 ビット

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2019量子プロセッサ

最近、グーグルの研究者はに到達したと主張した 「量子超越性」、彼らは200秒で、世界で最も先進的なコンピューターである計算を実行できたからです。 サミット、IBMからは、約10、000年かかります。 研究者が行った実験では、53キュービットを使用しました。これは約10に相当します。¹⁶ 古典的なビット、量子プロセッサを完全に機能させるために、コンピュータは約20 mK（0.02 K）の非常に低い温度に保たれました。

実験によって得られた結果は、 機械にチューリング、 理論的には普遍的であり、あらゆる計算モデルをシミュレートできるということは間違っている可能性があります。 これは、チューリングの理論セットに基づく古典的なコンピューターでは、 少なくとも同じ速度でも同じ速度でもない、量子プロセッサによって実行されるタスク 精度。

画像クレジット
[1] 自然

RafaelHellerbrock著
物理の先生