Komputery kwantowe – przyszłość IT

Artykuł pisałem jakieś dwa lata temu na potrzeby technologii informacyjnej – pokazuje on jednak w dalszym ciągu uproszczoną istotę tej trudnej gałęzi fizyki i informatyki.

Czym jest kwant?

Kwant – najmniejsze… „coś”, z którego składa się „wszystko”. Do tej pory fizycy mają problem z określeniem słowa kwant, używają go w różnych sytuacjach. Można powiedzieć ‚kwant energii’ – jest to najmniejsza porcja energii, którą należy dostarczyć układowi, by stała się jakaś reakcja; ‚kwant masy’ w myśl tej samej zasady będzie oznaczał najmniejszą masę, jaką ma dane nam ciało. Inaczej rzecz biorąc, jest to nieskończoność pociągnięta w wymierność, w drugą stronę – w ilość zer po przecinku 🙂

Czym jest fizyka kwantowa?

Fizyka kwantowa zajmuje się opisywaniem praw, które rządzą najmniejszym światem, który nas otacza – światem cząsteczek. Wbrew pozorom, te prawa są inne niż te, które obowiązują w fizyce klasycznej, tzn. jak ktoś nie przepada za zasadami dynamiki Newtona, to tutaj ich raczej nie uświadczy… Są tu natomiast inne, bardziej skomplikowane zagadnienia np…

Kot Schrödingera

Jest to jedna z najważniejszych, o ile nie najważniejsza zasada fizyki kwantowej. Mówi ona prost o superpozycji wszystkich możliwych cząstek, używając przykładu… kota (na szczęście jest to doświadczenie jedynie myślowe).

„Schrödinger wymyślił urządzenie oddziałujące na kota, zamkniętego w pojemniku z trucizną (np. z trującym gazem). Do szczelnego pojemnika wkładamy: żywego kota, źródło promieniotwórcze emitujące średnio jedną cząstkę na godzinę oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera-Müllera), który w chwili wykrycia cząstki uwalnia trujący gaz. Po zamknięciu pojemnika i odczekaniu jednej godziny mamy 50% prawdopodobieństwo, że kot jest martwy, i takie samo prawdopodobieństwo, że jest nadal żywy. Tak sugerowałby tzw. zdrowy rozsądek. Jeśli nastąpi radioaktywny rozpad i licznik go zarejestruje, zostanie uruchomiony mechanizm, który uwolni truciznę, wtedy kot zginie. Jeśli rozpad nie będzie miał miejsca, zwierzę nadal będzie cieszyło się życiem. Promieniotwórczość jest zjawiskiem kwantowym, więc możemy określić tylko prawdopodobieństwo zajścia rozpadu, a tym samym prawdopodobieństwo otrucia kota.”

(tekst z Wikipedii)

Jeżeli natomiast odniesiemy ww/ kota do zasad mechaniki kwantowej, to kot przed otworzeniem pudełka… jest żywy i martwy jednocześnie. Znajduje się on w mieszaninie wszystkich możliwych stanów, zwanej superpozycją.

Podstawa komputera kwantowego kwantem?

Odpowiedź brzmi: tak. Komputer kwantowy będzie korzystał z cząsteczek, które są kwantowe, więc skoro cząsteczki będą się rządzić prawami fizyki kwantowej, to taki komputer także.

Superpozycja atomów

Wracając do naszego kota… żywego bądź nieżywego. Wyobraźmy sobie, że mamy jakąkolwiek cząsteczkę elementrarną mającą spin… y… Nie wprowadziliśmy jeszcze tego pojęcia!

Czym jest spin?

Spin jest w dużym określeniu momentem pędu cząsteczki – każda cząsteczka nieustannie obraca się wokół własnej osi.

Dobrze, tak więc możemy kontynuować dalej. Każda cząstka ma spin i jakiś ładunek elektryczny – w związku z tym musi taka cząstka generować jakieś pole elektromagnetyczne. Pole elektromagnetyczne da się odczytać za pomocą…

Odczytywanie „wartości” cząstek

… rezonansu. Rezonans daje takiego małego kuksańca cząsteczce, używając dwóch pól magnetycznych – stałego i zmiennego – wstrzymuje ją na chwilę. Skoro to jest rezonans, to cząsteczka wpada w rezonans (masło maślane, wiem) z rezonansorem – w tym przypadku z maszyną potocznie zwaną rezonansem magnetycznym… W stałym polu magnetycznym cząstka obdarzona spinem o wartości 1/2 może przyjąć jedną z dwóch pozycji względem pola: zgodnie z polem lub przeciwnie do pola – energia w obu stanach jest różna. Odpowiednio inteligentne urządzenie potrafi to odczytać i odpowiednio wykorzystać 🙂
Kolejna regułka do zapamiętania

Precesja – znowu tekst z Wikipedii 😉 – zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Oś obrotu sama obraca się wówczas wokół pewnego kierunku w przestrzeni zakreślając powierzchnię boczną stożka.

Zapisywanie „wartości” cząsteczek

Wystarczy zmienić spin – wprowadza się zmienne pole magnetyczne o odpowiedniej częstotliwości skierowane w kierunku osi X lub Y. Spin zaczyna „widzieć” dodatkowe statyczne pole, tzw. pole efektywne, dokoła którego zaczyna się kręcić. W ten oto sposób można zmienić orientację spinu, a tym samym także kierunek całej magnetyzacji. Obracająca się w płaszczyźnie detekcji magnetyzacja indukuje w cewce prąd, który może być zarejestrowany przez aparaturę.

Kubit – kwantowy bit

Całkiem niedawno mówiliśmy o superpozycji. Z racji tego, że o niczym nie mówię bezpodstawnie, tak więc przejdziemy do zagadnienia Qbita, Qubita bądź Kubita – jak zwał, tak zwał. Cząsteczka może raz mieć spin o wartości 0, raz o wartości 1. Wywołanie tego samego algorytmu może przynieść dwa odrębne wyniki, ze względu na odrębne stany spinów, które mogą nastąpić w danej chwili. Owe wartości – 0 i 1, w przypadku kwantowej mechaniki zwane są kwantowymi bitami – kubitami. Fizycy do zapisywania kubitów wykorzystują przeważnie fotony bądź elektrony.

W przeciwieństwie do klasycznych komputerów elektronowych które potrafią przeanalizować w jednym bicie 0 lub 1, komputer kwantowy byłby w stanie oba te stany analizować jednocześnie zgodnie z zasadą nieoznaczalności. Dawałoby to gigantyczne możliwości obliczeniowe. Komputer klasyczny może wygenerować jednocześnie tylko jedną kombinację bitów, natomiast komputer kwantowy wszystkie możliwe. Moc obliczeniowa rośnie wykładniczo wraz z dodaniem większej ilości kubitów.

Eksperymentalny 16 kubitowy układ kwantowy Orion konstrukcji D-Wave.

Do czego możemy wykorzystać komputery kwantowe?

Możemy je wykorzystać praktycznie do wszystkiego – są bardzo szybkie. Maszyna złożona z kilkuset atomów potrafiłaby złamać w ciągu kilkunastu minut algorytm SHA1 oparty na dużych liczbach pierwszych. Oczywiście, są też pozytywne prace do wykoniania dla takiej maszyny – obliczanie kolejnych wartości liczby Pi po przecinku bądź rozbijanie ogromnych liczb na czynniki pierwsze. Możemy wyobrazić sobie mikroskopijne układy o wielkości kilku atomów które za kilkadziesiąt-kilkaset lat będą w stanie np. emulować starą architekturę x86 kilka miliardów razy szybciej niż obecne klastry tysięcy superkomputerów, a jest to tylko jedno z zastosowań na jakie mogą wpaść ludzie w przyszłości… Na razie jednak okiełznanie zjawisk kwantowych w zastosowaniach technicznych dopiero raczkuje ale jest nieuniknione tak jak cały postęp technologiczny. Obserwując męczarnie Intela z badaniami nad procesami technologicznymi poniżej 22nm można wywnioskować że dalsze brnięcie do granic możliwości krzemu niemalże wbrew naturze stanie się w końcu nieopłacalne, a wtedy czai się już powoli rozwijany grafen i kubity. Grafen to kolejny ciekawy temat na osobny artykuł który być może kiedyś napiszę…