Wissenschaftler am MIT haben erfolgreich einen skalierbaren Quantencomputer entwickelt, der aus 5 Atomen besteht und erfolgreich den Shor-Algorithmus verwendet, um die Zahl 15 korrekt zu faktorisieren.
Die Faktoren 15 sind relativ einfach: nur 5 und 3. Eine etwas größere Zahl wie 93 benötigt jedoch wahrscheinlich einen Stift und Papier, um dies herauszufinden. Eine noch größere Zahl mit 232 Ziffern kann und hat Wissenschaftler übernehmenzwei Jahre, um richtig zu faktorisieren, mit Hilfe von Hunderten von klassischen Computern, die parallel arbeiten.
Das Faktorisieren großer Zahlen ist so unglaublich schwierig, dass es die Grundlage vieler Verschlüsselungsschemata bildet, die zum Schutz von Kreditkarten, Staatsgeheimnissen und anderen vertraulichen Informationen verwendet werden.
Der Vorgang lässt sich leicht mit dem Kennwort überprüfen, mit dem der Algorithmus entsperrt wird. Das Kennwort besteht jedoch aus einer langen Folge zufälliger Zeichen, die das Entschlüsseln mit dem ursprünglichen Kennwort praktisch unmöglich machen, was ein klassischer Computer Tausende von Jahren in Anspruch nehmen würdeRiss durch rohe Gewalt im Wesentlichen raten, bis der Code funktioniert.
In 1994 Der Morss-Professor für Angewandte Mathematik am MIT, Peter Shor, hat den Quantenalgorithmus abgeleitet, der alle Primfaktoren einer großen Zahl berechnen kann, exponentiell schneller als ein klassischer Computer.
Der Erfolg des Algorithmus hängt jedoch von der Anzahl der Quantenbits ab. Je mehr Bits, desto besser funktioniert der Algorithmus. Obwohl einige Wissenschaftler den Shor-Algorithmus in verschiedenen Quantensystemen implementiert haben, kann keiner über mehr hinaus skaliert werdenals ein paar Quantenbits.
Das hat sich jedoch geändert. Ein in der Zeitschrift veröffentlichtes Papier Wissenschaft von Forschern des MIT und der Universität Innsbruck in Österreich berichteten, dass sie erfolgreich einen Quantencomputer aus 5 Atomen entworfen und gebaut haben, die von einem an Ort und Stelle gehalten werden Ionenfalle . Der Computer wird durch Laserpulse gesteuert, die den Shor-Algorithmus für jedes einzelne Atom ausführen, wodurch die Zahl 15 korrekt faktorisiert werden konnte.
Das System wurde so gebaut, dass es mit mehr Lasern und Atomen erweitert werden kann, um einen größeren und schnelleren Computer zu schaffen, der eines Tages viel größere Zahlen berücksichtigen und alle Verschlüsselungsmethoden knacken könnteerste Implementierung von Shors Algorithmus, der skaliert werden kann.
„Wir zeigen, dass Shors Algorithmus, der bislang komplexeste Quantenalgorithmus, so realisierbar ist, dass Sie nur ins Labor gehen, mehr Technologie anwenden und in der Lage sein sollten, einen zu erstellengrößerer Quantencomputer. "
„Der Bau kostet möglicherweise immer noch enorm viel Geld - Sie werden keinen Quantencomputer bauen und ihn bald auf Ihren Desktop stellen -, aber jetzt ist es viel mehr ein technischer Aufwand und keine grundlegende physikalische Frage.“~ Isaac Chuang, Professor für Physik und Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT
Klassisches Rechnen umfasst ein binäres System, bei dem Zahlen entweder durch Nullen oder Einsen dargestellt werden. Die Berechnungen werden dann gemäß den Anweisungen eines vorbestimmten Algorithmus durchgeführt, der die Nullen und Einsen manipuliert, um sowohl eine Eingabe als auch eine Ausgabe zu erzeugen. Ein Quantencomputer machtVerwendung einer Quanteneigenschaft, die auf atomaren Einheiten oder "Qubits" beruht, die gleichzeitig 1 und 0 darstellen können - eine Eigenschaft, die als Überlagerung bezeichnet wird.
Ein Atom in diesem Zustand das ein Qubit darstellt kann im Wesentlichen zwei Berechnungen parallel ausführen, wodurch bestimmte Berechnungen unglaublich effizienter sind als ein klassischer Computer. Obwohl ein klassischer Computer einzelne Operationen schneller ausführen kann, kann ein Quantencomputer zu dem gelangengleiche Antwort mit exponentiell weniger Schritten.
Das Team hielt das Quantensystem mit einer Ionenfalle stabil, die die Atome an Ort und Stelle hielt, sodass sie ein Atom entfernen konnten, wodurch es geladen wurde. Die Atome wurden dann durch ein elektrisches Feld an Ort und Stelle gehalten.
"Auf diese Weise wissen wir genau, wo sich dieses Atom im Raum befindet"
Chuang erklärt.
"Dann machen wir das mit einem anderen Atom, das ein paar Mikrometer entfernt ist - [ein Abstand] ungefähr 100stel der Breite eines menschlichen Haares. Wenn mehrere dieser Atome zusammen sind, können sie immer noch miteinander interagieren, weil sie es sindDiese Interaktion ermöglicht es uns, logische Gatter auszuführen, die es uns ermöglichen, die Grundelemente des Shor-Factoring-Algorithmus zu realisieren. Die Gatter, die wir ausführen, können an jeder dieser Arten von Atomen arbeiten, egal wie groß wir das System machen. "
Chuangs Kollegen an der Universität Innsbruck bauten den Apparat basierend auf dem Design des Chuang-Teams. Der Computer wurde angewiesen, die Zahl 15 zu faktorisieren - die kleinste Zahl, die zur Demonstration von Shors Algorithmus erforderlich ist. Das System gab die richtigen Faktoren ohne vorherige Kenntnis der Antworten anzu einem Grad von 99% Sicherheit.
Chuang sagt :
"In zukünftigen Generationen erwarten wir, dass es einfach skalierbar ist, sobald der Apparat mehr Atome einfangen kann und mehr Laserstrahlen die Impulse steuern können. Wir sehen keinen physikalischen Grund, warum dies nicht in den Karten enthalten sein wird."
Die Fertigstellung des Geräts ist eine erstaunliche Leistung, die ein großes Potenzial für die Cybersicherheit und die Erschließung der Geheimnisse des Universums besitzt. Ein skalierter Computer könnte jedoch das Potenzial erkennen, jedes einzelne Verschlüsselungssystem auf dem Planeten zu knackennetto gibt es noch viele Jahre und Milliarden von Dollar, bis ein Quantencomputer eine Verschlüsselungsmethode erfolgreich knacken konnte. Chuang und seine Kollegen haben ein Wunder der Technik geschaffen, indem sie zuerst einen skalierbaren Quantencomputer implementiert haben, der in der Lage ist, kleine Zahlen erfolgreich zu berücksichtigen.
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Im Laufe des 21. Jahrhunderts entdecken wir immer mehr Dinge über das Universum, in dem wir leben. Vielleicht werden wir eines Tages in der Lage sein, die restlichen Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln, indem wir das Universum in einem Computer entwerfen.Vielleicht haben wir schon in unseren eigenen Gedanken.
Geschrieben von Maverick Baker