Seberapa Cepat Komputer Quantum?

Selama lima dekade terakhir, prosesor komputer standar semakin cepat. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, batasan teknologi itu menjadi jelas: Komponen chip hanya bisa menjadi sangat kecil, dan dikemas begitu erat, sebelum tumpang tindih atau hubung singkat. Jika perusahaan terus membangun komputer yang selalu lebih cepat, ada sesuatu yang perlu diubah.

Salah satu kunci harapan untuk masa depan komputasi yang semakin cepat adalah bidang saya sendiri, fisika kuantum. Komputer kuantum diperkirakan akan jauh lebih cepat daripada apa pun yang telah dikembangkan era informasi sejauh ini. Namun, penelitian terbaru saya telah mengungkapkan bahwa komputer kuantum akan memiliki batasan sendiri - dan telah menyarankan cara untuk mengetahui batasannya.

Batas pemahaman

Bagi fisikawan, kita manusia hidup di dunia yang disebut "klasik". Kebanyakan orang menyebutnya "dunia", dan memahami fisika secara intuitif: Melontar bola mengirimkannya dan kemudian turun ke dalam busur yang bisa diprediksi, misalnya.

Bahkan dalam situasi yang lebih kompleks, orang cenderung memiliki pemahaman tidak sadar tentang bagaimana segala sesuatu bekerja. Kebanyakan orang kebanyakan memahami bahwa sebuah mobil bekerja dengan membakar bensin di mesin pembakaran dalam (atau mengeluarkan listrik yang tersimpan dari baterai), untuk menghasilkan energi yang ditransfer melalui roda gigi dan as roda untuk memutar ban, yang mendorong jalan untuk menggerakkan mobil ke depan. .

Di bawah hukum fisika klasik, ada batasan teoritis untuk proses ini. Tapi mereka tidak realistis tinggi: Misalnya, kita tahu bahwa mobil tidak akan pernah bisa melaju lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Dan tidak peduli berapa banyak bahan bakar di planet ini, atau berapa banyak jalan raya atau seberapa kuat metode konstruksi, tidak ada mobil yang mendekati 10 persen kecepatan cahaya.

Orang tidak pernah benar-benar menemukan batasan fisik dunia yang sebenarnya, namun ada, dan dengan penelitian yang tepat, fisikawan dapat mengidentifikasi mereka. Sampai saat ini, meskipun, para ilmuwan hanya memiliki gagasan yang agak kabur bahwa fisika kuantum juga memiliki batasan, namun tidak tahu bagaimana cara mengetahui bagaimana penerapannya di dunia nyata.

Ketidakpastian Heisenberg

Fisikawan menelusuri sejarah teori kuantum kembali ke tahun 1927, ketika fisikawan Jerman Werner Heisenberg menunjukkan bahwa metode klasik tidak bekerja untuk benda-benda yang sangat kecil, kira-kira seukuran atom individu. Saat seseorang melempar bola, misalnya, mudah menentukan dengan tepat di mana bola itu berada, dan seberapa cepat pergerakannya.

Tapi seperti ditunjukkan Heisenberg, itu tidak berlaku untuk atom dan partikel subatomik. Sebagai gantinya, seorang pengamat dapat melihat ke mana letaknya atau seberapa cepat pergerakannya - tapi keduanya tidak pada saat bersamaan. Ini adalah realisasi yang tidak nyaman: Bahkan dari saat Heisenberg menjelaskan idenya, Albert Einstein (antara lain) merasa tidak nyaman dengannya. Penting untuk disadari bahwa "ketidakpastian kuantum" ini bukanlah kekurangan peralatan pengukuran atau rekayasa, melainkan bagaimana otak kita bekerja. Kami telah berevolusi untuk menjadi terbiasa dengan bagaimana "dunia klasik" bekerja bahwa mekanisme fisik sebenarnya dari "dunia kuantum" berada di luar kemampuan kita untuk sepenuhnya memahami.

Memasuki dunia kuantum

Jika sebuah objek di dunia kuantum berpindah dari satu tempat ke tempat lain, para periset tidak dapat mengukur dengan tepat kapan ia meninggalkannya atau kapan akan tiba. Batas-batas fisika memberlakukan penundaan kecil untuk mendeteksinya. Jadi tidak masalah seberapa cepat gerakan tersebut benar-benar terjadi, maka tidak akan terdeteksi sampai sedikit kemudian. (Panjang waktu di sini sangat kecil - kuadriliun satu detik - tapi tambahkan lebih dari triliunan perhitungan komputer.)

Keterlambatan itu secara efektif memperlambat kecepatan potensial perhitungan kuantum - ini memaksakan apa yang kita sebut "batas kecepatan kuantum".

Selama beberapa tahun terakhir, penelitian, yang telah disumbangkan kelompok saya secara signifikan, telah menunjukkan bagaimana batas kecepatan kuantum ini ditentukan dalam kondisi yang berbeda, seperti menggunakan berbagai jenis bahan di medan magnet dan listrik yang berbeda. Untuk masing-masing situasi ini, batas kecepatan kuantum sedikit lebih tinggi atau sedikit lebih rendah.

Yang mengejutkan semua orang, kami bahkan menemukan bahwa kadang-kadang faktor tak terduga dapat membantu mempercepat segala sesuatunya, dengan cara yang berlawanan.

Untuk memahami situasi ini, mungkin berguna untuk membayangkan sebuah partikel bergerak melalui air: Partikel tersebut memindahkan molekul air saat ia bergerak. Dan setelah partikel itu bergerak, molekul air dengan cepat mengalir kembali ke tempat semula, tidak meninggalkan jejak bagian dari partikel tersebut.

Sekarang bayangkan partikel yang sama berjalan melalui madu. Madu memiliki viskositas lebih tinggi daripada air - ini lebih tebal dan mengalir lebih lambat - jadi partikel madu akan memakan waktu lebih lama untuk bergerak kembali setelah partikel bergerak. Tapi di dunia kuantum, aliran madu yang kembali bisa membangun tekanan yang mendorong partikel kuantum ke depan. Akselerasi ekstra ini bisa membuat batas kecepatan partikel kuantum berbeda dari perkiraan pengamat.

Merancang komputer kuantum

Karena peneliti lebih mengerti tentang batas kecepatan kuantum ini, akan mempengaruhi bagaimana pengerjaan prosesor komputer kuantum. Sama seperti para insinyur menemukan bagaimana cara mengecilkan ukuran transistor dan mengemasnya lebih dekat pada chip komputer klasik, mereka memerlukan beberapa inovasi cerdas untuk membangun sistem kuantum tercepat, beroperasi sedekat mungkin dengan batas kecepatan tertinggi.

Ada banyak hal yang peneliti ingin saya jelajahi. Tidak jelas apakah batas kecepatan kuantum begitu tinggi sehingga tidak terjangkau - seperti mobil yang bahkan tidak akan mendekati kecepatan cahaya. Dan kita tidak sepenuhnya mengerti bagaimana elemen tak terduga di lingkungan - seperti madu di contoh - dapat membantu mempercepat proses kuantum. Karena teknologi yang berbasis pada fisika kuantum menjadi lebih umum, kita perlu mencari tahu lebih banyak tentang di mana batas fisika kuantum, dan bagaimana merancang sistem yang memanfaatkan keuntungan terbaik dari apa yang kita ketahui.