The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
محتویات این استوانه فلزی یا میتواند باعث تحول در فنآوری شود یا کاملاً بیفایده باشد - این همه، بستگی به این دارد که آیا میتوانیم از فیزیک عجیب ماده در مقیاسهای بسیار کوچک استفاده کنیم یا خیر. حتی برای داشتن شانس انجام این کار، باید محیط را دقیقاً کنترل کنیم: میز و پایههای ضخیم آن، از لرزشهای ناشی از قدمها، آسانسورهای نزدیک ، و باز یا بسته شدن درها، محافظت میکند. سیلندر یک محفظه خلاء، عاری از همه گازهای موجود در هوا است. داخل محفظه خلاء کوچکتر است، محفظهای بسیار سرد، قابل دسترسی توسط پرتوهای کوچک لیزر. در داخل، ذرات فوق العاده حساسی هستند که یک کامپیوتر کوانتومی را تشکیل میدهنند.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
پس چه چیزی باعث میشود که این ذرات ارزش تلاش را داشته باشند؟ از نظر تئوری، کامپیوترهای کوانتومی میتوانند از حد محاسباتی رایانههای کلاسیک پیشی بگیرند رایانه های کلاسیک دادهها را به صورت بیتی پردازش میکنند. هر بیت میتواند بین دو حالت با صفر و یک تغییر کند. یک کامپیوتر کوانتومی از چیزی به نام «کیوبیت» استفاده میکند، که میتواند بین صفر، یک و آنچه که یک برهمنهی نامیده میشود تغییر کند. در حالی که کیوبیت درموقعیت برهمنهی خود قرار دارد، اطلاعات بسیار بیشتری از یک یا صفر دارد. میتوانید این مکانها را به عنوان نقاط یک کره تصور کنید : قطبهای شمال و جنوب کره نمایانگر یک و صفر هستند. یک بیت فقط میتواند بین این دو قطب جابجا شود، اما وقتی که کیوبیت در موقعیت برهمنهی خود قرار دارد، میتواند در هر نقطه از کره باشد نمیتوانیم دقیقاً آن را پیدا کنیم لحظه ای که آن را میخوانیم، «کیوبیت» به صفر یا یک برمیگردد. اما حتی اگر نتوانیم «کیوبیت» را موقعیت برهمنهیاش کنیم مشاهده کنیم، میتوانیم مادامیکه در این حالت است، آن را برای انجام عملیاتهای خاص دستکاری کنیم.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
بنابراین هرچه یک مسئله پیچیده تر شود، یک کامپیوتر کلاسیک متقابلا برای حل آن به بیتهای بیشتری احتیاج دارد، در حالی که یک کامپیوتر کوانتومی از نظر تئوری قادر است مسائل پیچیده و پیچیدهتر را بدون نیاز به تعداد «کیوبیت»های بیشتر مانند کامپیوترهای کلاسیک، حل کند.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
ویژگیهای منحصر به فرد کامپیوترهای کوانتومی نتیجه رفتار ذرات اتمی و زیراتمی است. این ذرات حالتهای کوانتومی دارند، که مطابق با وضعیت «کیوبیت» است. حالات کوانتومی بسیار شکننده هستند، به راحتی در اثر نوسانات دما و فشار میدانهای الکترومغناطیسی هرز، و برخورد با ذرات اطراف، از بین میروند. برای این است که کامپیوترهای کوانتومی به چنین راه اندازی پیچیدهای نیاز دارند. و نیز به این علت است که، فعلا قدرت رایانه های کوانتومی تا حد زیادی نظری است. تاکنون فقط میتوانیم، چند کیوبیت را در زمان و مکان یکسان کنترل کنیم.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
دو مؤلفه اصلی، در مدیریت این حالتهای کوانتومی ناخوشایند به طور مؤثر، درگیر هستند: انواع ذراتی یک کامپیوتر کوانتومی استفاده میکند، و چگونه این ذرات را دستکاری میکند. در حال حاضر، دو رویکرد پیشرو وجود دارد: یونهای به دام افتاده و «کیوبیت»های ابررسانا.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده، از یون ها به عنوان ذراتش استفاده میکند و آنها را با لیزر دستکاری میکند. یونها در تله ساخته شده از میدانهای الکتریکی قرار گرفته اند. ورودی های لیزر با چرخش حالت «کیوبیت» روی کره به یونها میگویند که چه عملیاتی باید انجام شود. به عنوان یک مثال ساده شده، لیزرها میتوانند این سؤال را وارد کنند: عوامل اول ۱۵ چیست؟ در پاسخ، یونها ممکن است فوتونها را آزاد کنند وضعیت «کیوبیت» تعیین میکند که یون، فوتون نشر میکند یا خیر و چند فوتون ساطع میکند. سیستم تصویربرداری این فوتونها را جمع آوری و پردازش میکند تا جواب را نشان دهد: ۳ و ۵.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
« کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت ابررسانا» همان کارها را به شکل متفاوت انجام میدهند به جای یک تله یونی از تراشه با مدارهای الکتریکی استفاده میکند. حالات هر مدار الکتریکی به حالت «کیوبیت» ترجمه میشود. آنها را میتوان با ورودیهای الکتریکی به شکل مایکروویو دستکاری کرد. بنابراین:«کیوبیت»ها از یونها یا مدارهای الکتریکی ناشی میشوند، که توسط لیزر یا مایکروویو عمل میکنند. هر رویکرد دارای مزایا و معایبی است. یونها را میتوان خیلی دقیق دستکاری کرد ، و طولانی مدت دوام میآورند، اما هرچه یونهای بیشتری به دام اضافه شوند، کنترل دقیق هر یک از آنها دشوار میشود. فعلا ما نمیتوانیم یونهای کافی را در یک تله جهت انجام محاسبات پیشرفته داشته باشیم، اما ممکن است یک راه حل امکانپذیر، اتصال بسیاری از تله های کوچکتر باشد که به جای تلاش برای ایجاد یک دام بزرگ، از طریق فوتون با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند در ضمن مدارهای ابررسانا عملیات را خیلی سریعتر از یونهای به دام افتاده، و ارتقاء تعداد مدارها در یک کامپیوتر ساده تر از تعداد یونها است اما مدارها نیز حساستر هستند، طول عمر کلی کوتاه تری دارند.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
و با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی، آنها هنوز هم، برای حفظ حالات کوانتومی مورد نیاز در معرض محدودیتهای زیست محیطی قرار دارند. اما با وجود همه این موانع، ما قبلاً موفق شده ایم در قلمرویی که نمیتوانیم وارد شویم یا حتی مشاهده کنیم، محاسبات خود را انجام دهیم