I början av juli, Google meddelade att det kommer att utöka sina kommersiellt tillgängliga molntjänster till att omfatta kvantdatorer. En liknande tjänst har varit tillgänglig från IBM sedan maj. Det här är inte tjänster som de flesta vanliga människor har mycket anledning att använda än. Men att göra kvantdatorer mer tillgängliga hjälper regeringen, akademiska och företagsforskningsgrupper runt om i världen fortsätter sin studie av kvantdatorns möjligheter.

Att förstå hur dessa system fungerar kräver att man utforskar ett annat fysikområde än de flesta känner till. Av vardaglig erfarenhet känner vi till vad fysiker kallar "klassisk mekanik, "som styr det mesta av världen vi kan se med våra egna ögon, som vad som händer när en bil träffar en byggnad, vilken väg en boll tar när den kastas och varför det är svårt att dra en kylare över en sandstrand.

Kvantmekanik, dock, beskriver den subatomära sfären - protons beteende, elektroner och fotoner. Kvantmekanikens lagar skiljer sig mycket från klassisk mekanik och kan leda till några oväntade och kontraintuitiva resultat, som tanken att ett objekt kan ha negativ massa.

Fysiker runt om i världen - i regeringen, akademiska och företagsgrupper-fortsätt att utforska verkliga distributioner av teknik baserad på kvantmekanik. Och datavetare, inklusive mig, letar efter att förstå hur denna teknik kan användas för att avancera beräkning och kryptografi.

En kort introduktion till kvantfysik

I våra vanliga liv, vi är vana vid saker som finns i ett väldefinierat tillstånd:En glödlampa är antingen på eller av, till exempel. Men i kvantvärlden, föremål kan existera i en så kallad överlagring av tillstånd:En hypotetisk glödlampa på atomnivå kan samtidigt vara på och av. Denna konstiga funktion har viktiga konsekvenser för datorer.

Den minsta informationsenheten inom klassisk mekanik - och, därför, klassiska datorer - är biten, som kan hålla ett värde på antingen 0 eller 1, men aldrig båda samtidigt. Som ett resultat, varje bit kan bara innehålla en bit information. Sådana bitar, som kan representeras som elektriska impulser, förändringar i magnetfält, eller till och med en fysisk på / av-omkopplare, utgör grunden för all beräkning, lagring och kommunikation i dagens datorer och informationsnätverk.

Qubits - kvantbitar - är kvantekvivalenten till klassiska bitar. En grundläggande skillnad är att på grund av superposition, qubits kan samtidigt hålla värden på både 0 och 1. Fysiska realisationer av qubits måste i sig vara i atomskala:till exempel i elektronens snurr eller polariseringen av en foton.

Datorer med qubits

En annan skillnad är att klassiska bitar kan drivas oberoende av varandra:Att vända lite på en plats har ingen effekt på bitar på andra platser. Qubits, dock, kan konfigureras med hjälp av en kvantmekanisk egenskap som kallas förträngning så att de är beroende av varandra-även när de är långt ifrån varandra. Detta innebär att operationer som utförs på en qubit av en kvantdator kan påverka flera andra qubits samtidigt. Denna fastighet - i likhet med, men inte samma sak som, parallellbehandling - kan göra kvantberäkning mycket snabbare än i klassiska system.

Storskaliga kvantdatorer-det vill säga kvantdatorer med hundratals qubits - existerar ännu inte, och är utmanande att bygga eftersom de kräver operationer och mätningar på atomskala. IBMs kvantdator, till exempel, har för närvarande 16 qubits, och Google lovar en kvantdator på 49 qubit-vilket skulle vara ett häpnadsväckande framsteg-i slutet av året. (I kontrast, bärbara datorer har för närvarande flera gigabyte RAM, med en gigabyte åtta miljarder klassiska bitar.)

Ett kraftfullt verktyg

Trots svårigheten att bygga fungerande kvantdatorer, teoretiker fortsätter att utforska sin potential. År 1994, Peter Shor visade att kvantdatorer snabbt kunde lösa de komplicerade matematikproblem som ligger till grund för alla vanligt använda offentliga nyckelkryptografisystem, som de som ger säkra anslutningar för webbläsare. En storskalig kvantdator skulle helt äventyra säkerheten på internet som vi känner den. Kryptografer utforskar aktivt nya metoder för allmänna nycklar som skulle vara "kvantresistenta, "åtminstone så långt de vet för närvarande.

Intressant, kvantmekanikens lagar kan också användas för att designa kryptosystem som är, i vissa bemärkelser, säkrare än sina klassiska analoger. Till exempel, kvantnyckeldistribution gör att två parter kan dela en hemlighet som ingen avlyssnare kan återställa med antingen klassiska eller kvantdatorer. Dessa system - och andra baserade på kvantdatorer - kan bli användbara i framtiden, antingen brett eller i fler nischapplikationer. Men en viktig utmaning är att få dem att arbeta i den verkliga världen, och över stora avstånd.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.