Hoe Snel Kunnen Quantum Computers Krijgen?

{h1}

Blijkbaar is er een kwantumsnelheidslimiet die quantum computing zou kunnen remmen.

In de afgelopen vijf decennia zijn standaard computerprocessors steeds sneller geworden. In de afgelopen jaren zijn de limieten voor die technologie echter duidelijk geworden: chipcomponenten kunnen slechts zo klein worden en alleen zo dicht bij elkaar worden gepakt dat ze elkaar overlappen of kortsluiten. Als bedrijven doorgaan met het bouwen van steeds snellere computers, zal er iets moeten veranderen.

Een van de belangrijkste hoop voor de toekomst van steeds snellere computing is mijn eigen vakgebied, de kwantumfysica. Kwantumcomputers zullen naar verwachting veel sneller zijn dan wat het informatietijdperk tot nu toe heeft ontwikkeld. Maar mijn recente onderzoek heeft aangetoond dat kwantumcomputers eigen grenzen hebben - en heeft manieren voorgesteld om uit te zoeken wat die limieten zijn.

De grenzen van begrip

Voor natuurkundigen leven wij mensen in wat de "klassieke" wereld wordt genoemd. De meeste mensen noemen het gewoon 'de wereld' en zijn de fysica intuïtief gaan begrijpen: het gooien van een bal stuurt het bijvoorbeeld omhoog en vervolgens terug naar beneden in een voorspelbare boog.

Zelfs in meer complexe situaties hebben mensen de neiging onbewust te begrijpen hoe dingen werken. De meeste mensen begrijpen grotendeels dat een auto werkt door benzine te verbranden in een verbrandingsmotor (of opgeslagen elektriciteit uit een batterij te halen), om energie te produceren die wordt overgebracht door tandwielen en assen om banden te keren, die tegen de weg duwen om de auto vooruit te rijden.

Volgens de wetten van de klassieke fysica zijn er theoretische beperkingen aan deze processen. Maar ze zijn onrealistisch hoog: we weten bijvoorbeeld dat een auto nooit sneller kan gaan dan de snelheid van het licht. En het maakt niet uit hoeveel brandstof er op de planeet is, of hoeveel rijbaan of hoe sterk de constructiemethoden zijn, geen enkele auto zal bijna 10 procent van de snelheid van het licht halen.

Mensen komen nooit echt de werkelijke fysieke grenzen van de wereld tegen, maar ze bestaan, en met goed onderzoek kunnen natuurkundigen ze identificeren. Tot voor kort hadden geleerden echter slechts een nogal vaag idee dat de kwantumfysica ook beperkingen had, maar niet wist hoe ze moesten uitvinden hoe ze in de echte wereld zouden kunnen worden toegepast.

De onzekerheid van Heisenberg

Natuurkundigen traceren de geschiedenis van de kwantumtheorie terug tot 1927, toen de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg aantoonde dat de klassieke methoden niet werkten voor hele kleine objecten, die ongeveer de afmeting van individuele atomen waren. Wanneer iemand bijvoorbeeld een bal gooit, is het eenvoudig om precies te bepalen waar de bal zich bevindt en hoe snel hij beweegt.

Maar zoals Heisenberg liet zien, dat is niet waar voor atomen en subatomaire deeltjes. In plaats daarvan kan een waarnemer zien waar het is of hoe snel het beweegt - maar niet allebei op hetzelfde moment. Dit is een ongemakkelijk besef: zelfs vanaf het moment dat Heisenberg zijn idee uitlegde, was Albert Einstein (onder andere) er niet gerust op. Het is belangrijk om te beseffen dat deze "kwantumonzekerheid" geen tekortkoming is van meetapparatuur of engineering, maar eerder hoe onze hersenen werken. We zijn geëvolueerd om zo gewend te zijn aan hoe de "klassieke wereld" werkt dat de feitelijke fysieke mechanismen van de "kwantumwereld" eenvoudigweg buiten ons vermogen om volledig te begrijpen zijn.

De kwantumwereld betreden

Als een object in de kwantumwereld van de ene locatie naar de andere reist, kunnen onderzoekers niet exact meten wanneer het is weggegaan of wanneer het zal aankomen. De grenzen van de natuurkunde leggen een kleine vertraging op bij het detecteren ervan. Dus hoe snel de beweging ook daadwerkelijk gebeurt, deze wordt pas iets later gedetecteerd. (De lengte van de tijd is hier ongelooflijk klein - vier-en-een-halve-seconde - maar wordt opgeteld bij meer dan biljoenen computerberekeningen.)

Die vertraging vertraagt ​​effectief de potentiële snelheid van een kwantumberekening - het legt wat we noemen de "kwantumsnelheidslimiet".

De afgelopen jaren heeft onderzoek, waaraan mijn groep aanzienlijk heeft bijgedragen, aangetoond hoe deze kwantumsnelheidslimiet wordt bepaald onder verschillende omstandigheden, zoals het gebruik van verschillende soorten materialen in verschillende magnetische en elektrische velden. Voor elk van deze situaties is de kwantumsnelheidslimiet iets hoger of iets lager.

Tot ieders grote verbazing ontdekten we zelfs dat soms onverwachte factoren de dingen kunnen versnellen, soms op een contra-intuïtieve manier.

Om deze situatie te begrijpen, kan het handig zijn om een ​​deeltje door water te denken: het deeltje verplaatst watermoleculen terwijl het beweegt. En nadat het deeltje is doorgegaan, stromen de watermoleculen snel terug waar ze waren, zonder een spoor achter te laten van de passage van het deeltje.

Stel je nu voor dat hetzelfde deeltje door honing reist. Honing heeft een hogere viscositeit dan water - het is dikker en stroomt langzamer - dus de honingdeeltjes zullen langer nodig hebben om terug te gaan nadat het deeltje zich voortbeweegt. Maar in de kwantumwereld kan de terugkerende stroom honing een druk opbouwen die het kwantumdeeltje naar voren drijft. Deze extra versnelling kan de snelheidslimiet van een kwantumdeeltje anders maken dan een waarnemer anders zou verwachten.

Het ontwerpen van quantumcomputers

Omdat onderzoekers meer weten over deze kwantumsnelheidslimiet, zal dit van invloed zijn op hoe quantumcomputerprocessors worden ontworpen. Net zoals ingenieurs hebben bedacht hoe ze de grootte van transistors kunnen verkleinen en dichter bij elkaar kunnen zetten op een klassieke computerchip, hebben ze een slimme innovatie nodig om de snelst mogelijke kwantumsystemen te bouwen, die zo dicht mogelijk bij de ultieme snelheidslimiet werken.

Er is veel voor onderzoekers zoals ik om te verkennen.Het is niet duidelijk of de kwantumsnelheidslimiet zo hoog is dat hij onbereikbaar is - zoals de auto die nooit dicht bij de snelheid van het licht komt. En we begrijpen niet volledig hoe onverwachte elementen in de omgeving - zoals de honing in het voorbeeld - kunnen helpen quantumprocessen te versnellen. Naarmate technologieën op basis van kwantumfysica vaker voorkomen, moeten we meer te weten komen over waar de grenzen van de kwantumfysica liggen en hoe systemen moeten worden ontworpen die het beste profiteren van wat we weten.

Sebastian Deffner, universitair docent fysica, Universiteit van Maryland, Baltimore County

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.


Video Supplement: Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com