Kvantumkomputiko/Kio

Erwin Schroedinger: $H(t)\left|\psi (t)\right\rangle =i\hbar {\partial \over \partial t}\left|\psi (t)\right\rangle$ Annalen der Physik, "Quantisierung als Eigenwertproblem", (1926)

Kio estas kvantuma mekaniko?

La kvantuma mekaniko (ankaŭ kvantuma fiziko) estas scienco, kiu priskribas la fiziko de malgrandegaj sistemoj: klazika elektromagnetismo kaj Newtona [njutona] mekaniko malbone priskribas atomajn kaj subatomajn sistemojn (oni kutime ekvidas kvantumajn efikojn en sistemoj kun malpli ol 1000 atomoj). Ĝi priskribas la stato de sistemo (kvantstato) pere de ondfunkcio kiu enhavas la probebleco da ĉiuj observeblaj ecoj (nomitaj observeblaĵojn).

Fine de la 19-a jarcento, oni pensis, ke la fizikfino estis proksima: preskaŭ ĉiuj fizikaj eksperimentoj ŝainis tute kompreneblaj, do, oni ne bezonis pluajn fizikajn teoriojn. Tamen, oni vidis ke tiujn malmultajn nekompreneblajn eksperimentojn, kia la fotoelektrikan efikon, la radiadon el nigran korpon, la radioaktivecon aŭ la duoblatruon eksperimenton neniel povis samtempe esti eksplikita per klazika fiziko.

Je la unuaj jardekoj de la 20-a jarcento, ĉe Germanio kaj Aŭstrio, la kvantuma mekaniko estis ekita per longa listo de bonegaj fizikistoj kaj matematikistoj, kia Erwin Schrödinger [Ervin ŝrEdina], Werner Heisenberg, [vErna hAjsenber], Albert Einstein [ALbert AJNŝtajn], P.A.M. Dirac [dirAk], Niels Bohr [nels bor] kaj Von Neumann [fon nOJman].

La kvantuma mekaniko estas unu el la bazoj de la moderna kemio kaj, kun la ĝenerala relativeco, ankaŭ de la moderna fiziko. Diodoj, transistoroj (do, la ĉia elektroniko), laseroj, Nuklea Magneta Resonanco kaj multaj aliaj modernaj teknikoj tute neeblus sen ĝin.

Kio kaj kia estas kvantumkomputiko?

Kvantumkomputiko estas komputiko, kiu bazas sur kvantummeĥaniko (do, ne sur klasika meĥaniko). Ĉar iuj kvantumaj efikoj ne havas klasikajn similaĵojn, oni povas manipuli informon per novaj iloj, kaj tiel aperas nova informa teorio.

Bazaj kvantumaj efikoj:

• kvantuma stata superpozicio (kvantuma sistemo povas ekzisti samtempe kiel kelkaj malsamaj kvantumaj statoj)
• kvantuma impliko (kelkaj malproksimaj kvantumaj sistemoj, kiu estis proksimaj, povas esti implikitaj, tiel, ke mezuri unu el ili nuligas la statan superpozion el la aliaj)

Kio estas kvantumbito?

Kvantumtbito estas laŭvole manipuleble dustata kvantuma sistemo. Kvantumtbiton estas uzata kiel unuo en la kvantuma informa teorio. Do, ĝi estas iel kvantuma fizika analogo por bito. Oni diras, ke dustata kvantuma sistemo enhavas unu kvantumbiton da informo.

Kvantuma stata superpozicio kaj kvantuma implikeco multe malsamigas kvantumbiton el regula bito. Antaŭ la kvantuma mezuro, grupo da kvantumbitoj enhavas multege pli da informo ol samnombra grupo de bitoj. La mezurago nuligas la statan superpozicion kaj la kvantuman implikecon. Do, kvantumbitoj estas pli bona ol bitoj ne por enhavi informon, sed nur por ĝin trakti.

Blocha [bloĥa] sfero, figuranta kvantumbitan staton

Kutime, la du bazastatoj estas skribita kiel $|0\rangle$ kaj $|1\rangle$. Tiel, kvantumbito povas esti skribita kiel kvantuma lineara superpozicio:

$|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ,\,$

kie $\alpha$ kaj $\beta$ generale povas esti kompleksaj numeroj kiuj obeas la ekvacio:

$|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1.\,$

Aliel, sed tute samsence, en la Blocha [Bloĵa] sfero, oni povas skribi la kvantumbito kiel:

$|\psi \rangle =\cos \theta \,|0\rangle +e^{i\phi }\sin \theta \,|1\rangle$

kie

$0\leq \theta <{\frac {\pi }{2}},\quad 0\leq \phi <2\pi .$

Kvantumkomputiko ne estas...

La sama, jam delonge konita, klasika komputiko kiel ni uzas hodiaŭ (evidente), sed ĝi ankaŭ ne estas...

Komputiko per DNA-replikiĝo ne estas kvantuma komputiko

• molekula komputiko: Povas esti, ke iam eblos uzi molekulojn (kiaj ekzemple nanotuboj, aŭ DNA, vidu malsupre) kiel etaj komputileroj por klasika komputiko (do, uzanta bitoj kajn ne kvantbitojn kiel informeroj, ne uzanta stata superpozicio ktp). Ekzistas jam multaj proponoj pri komputileroj, sed nenion pri kompleta (eĉ ne se tre eta) komputilo.
• DNA-a komputiko: Eblas plenumi tre simplajn komputikojn pere de la DNA-o (DeoksiriboNuklea Acido). Oni povas uzi polimeraza ĉen-reakcio, mem-replikiĝo de DNA kaj pli da biologio-laborejaj teknikoj, kaj tiel efiki klasika (sed multegajprocezilaj) molekula komputiko (tre simpla, almenaŭ nune). Tio ankaŭ ne estas kvantumkomputiko, ĉar oni ne uzas kvantumefikojn.
• kvantuma ĉifrado: Eblas uzi kvantumaj efikoj por tute nova, bonega ĉifrado. Fakte, tio jam ekzistas nuntempe! Por tio, oni uzas kvantuma informa teorio, kvantumfiziko kaj tre bona tekniko, sed, ĉar la celo ne estas komputi, oni kutime ne nomigas tion per "kvantumkomputiko".
• kvantumteleportado: Eblas teleporti informaĵojn, almenaŭ teorie (nek homojn nek aferojn, nune!). Kiel ĉifrado, ankaŭ tion estas ero de la kvantuma informa teorio, sed oni ne parlolas pri "kvantumkomputiko".