معمای ساعتی که آینده محاسبات کوانتومی را محدود می کند
معمای ساعتی که آینده محاسبات کوانتومی را محدود می کند –با این حال، تحقیقات نشان می دهد که محدودیت های ذاتی وجود دارد، به ویژه در رابطه با کیفیت ساعت مورد استفاده.
ایده های مختلفی در مورد چگونگی ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. اما همه آنها یک چیز مشترک دارند: شما از یک سیستم فیزیکی کوانتومی استفاده می کنید – به عنوان مثال، اتم های منفرد – و با قرار دادن آنها در معرض نیروهای بسیار خاص برای یک زمان خاص، حالت آنها را تغییر می دهید.
با این حال، این بدان معناست که برای اینکه بتوانید به عملیات محاسبات کوانتومی که نتیجه صحیح را ارائه می دهد تکیه کنید، به ساعتی نیاز دارید که تا حد امکان دقیق باشد.
اما در اینجا با مشکلاتی مواجه می شوید: اندازه گیری زمان کامل غیرممکن است. هر ساعت دارای دو ویژگی اساسی است: دقت معین و وضوح زمان معین.
وضوح زمان نشان می دهد که فواصل زمانی که می توان اندازه گیری کرد چقدر کوچک است – یعنی با چه سرعتی تیک تاک ساعت. دقت به شما می گوید که با هر تیک چقدر باید انتظار عدم دقت داشته باشید.
تیم تحقیقاتی توانست نشان دهد که از آنجایی که هیچ ساعتی مقدار بی‌نهایت انرژی در دسترس ندارد (یا بی‌نهایت آنتروپی تولید می‌کند)، هرگز نمی‌تواند همزمان وضوح کامل و دقت کامل داشته باشد.
این محدودیت های اساسی برای امکانات کامپیوترهای کوانتومی ایجاد می کند.
مراحل محاسبه کوانتومی مانند چرخش هستند
در دنیای کلاسیک ما، عملیات حسابی کامل مشکلی نیست. به عنوان مثال، می توانید از چرتکه استفاده کنید که در آن توپ های چوبی بر روی چوب کشیده شده و به عقب و جلو هل داده می شوند.
مهره های چوبی حالت های واضحی دارند و هر کدام در یک مکان بسیار خاص قرار دارند، اگر کاری انجام ندهید مهره دقیقا همان جایی که بوده باقی می ماند.
و اینکه مهره را به سرعت یا آهسته حرکت دهید، تأثیری در نتیجه ندارد. اما در فیزیک کوانتوم، این پیچیده تر است.
جیک ژورب از مؤسسه اتمی دانشگاه فناوری وین در تیم مارکوس هوبر و اولین نویسنده مقاله می گوید: «از نظر ریاضی، تغییر حالت کوانتومی در یک کامپیوتر کوانتومی با چرخش در ابعاد بالاتر مطابقت دارد.
برای دستیابی به حالت مطلوب در پایان، چرخش باید برای یک دوره زمانی بسیار خاص اعمال شود.
در غیر این صورت، وضعیت را یا خیلی کوتاه یا خیلی دور می کنید.»
آنتروپی: زمان همه چیز را بیشتر و بیشتر آشفته می کند
مارکوس هوبر و تیمش به طور کلی بررسی کردند که کدام قوانین باید همیشه برای هر ساعت قابل تصوری اعمال شود.
مارکوس هوبر توضیح می دهد: «اندازه گیری زمان همیشه با آنتروپی ارتباط دارد.
در هر سیستم فیزیکی بسته، آنتروپی افزایش می یابد و بیش از پیش بی نظم می شود.
دقیقاً همین پیشرفت است که جهت زمان را تعیین می کند: آینده جایی است که آنتروپی بالاتر است، گذشته جایی است که آنتروپی حتی کمتر بود.
همانطور که نشان داده می شود، هر اندازه گیری زمان به طور اجتناب ناپذیری با افزایش آنتروپی همراه است: برای مثال یک ساعت به یک باتری نیاز دارد که انرژی آن در نهایت از طریق مکانیک ساعت به گرمای اصطکاکی و تیک تاک قابل شنیدن تبدیل می شود – فرآیندی که در آن یک حالت نسبتاً مرتب رخ می دهد که باتری به حالت نسبتاً نامنظم تابش گرما و صدا تبدیل می شود.
بر این اساس، تیم تحقیقاتی توانست یک مدل ریاضی ایجاد کند که اساساً هر ساعت قابل تصوری باید از آن پیروی کند.
فلوریان مایر، نویسنده اول مقاله دوم، می‌گوید: «برای افزایش معین در آنتروپی، بین تفکیک زمانی و دقت تعادل وجود دارد.
این بدان معناست: یا ساعت به سرعت کار می کند یا دقیقاً کار می کند – هر دو در یک زمان امکان پذیر نیستند.
محدودیت برای کامپیوترهای کوانتومی
این درک اکنون محدودیتی طبیعی برای رایانه‌های کوانتومی به همراه دارد: وضوح و دقتی که می‌توان با ساعت‌ها به دست آورد، سرعت و قابلیت اطمینان قابل دستیابی با رایانه‌های کوانتومی را محدود می‌کند.
مارکوس هوبر می گوید: «در حال حاضر مشکلی نیست. در حال حاضر، دقت کامپیوترهای کوانتومی هنوز توسط عوامل دیگری محدود شده است، به عنوان مثال، دقت اجزای مورد استفاده یا میدان های الکترومغناطیسی.
اما محاسبات ما همچنین نشان می‌دهد که امروز از رژیمی که در آن محدودیت‌های اساسی سنجش زمان نقش تعیین‌کننده را ایفا می‌کند، فاصله چندانی نداریم.»
بنابراین، اگر فناوری پردازش اطلاعات کوانتومی بیشتر بهبود یابد، ناگزیر باید با مشکل اندازه‌گیری زمان غیربهینه مقابله کرد.
اما چه کسی می‌داند: شاید این دقیقاً چگونه می‌توانیم چیز جالبی در مورد دنیای کوانتومی یاد بگیریم.
