Technologie i wydarzenia
Artykuł
Ryszard Sobkowski, Niedziela, 25 lutego 2007, 16:02
Niedawno kanadyjska firma D-Wave Systems zaprezentowała publicznie urządzenie, określone jako pierwszy komercyjny komputer kwantowy. Co do tej „komercji”, można polemizować, jest jednak faktem, że Orion, bo tak nazwano maszynę, stanowi wielki krok na drodze do prawdziwie funkcjonalnego komputera kwantowego. Orion wprawdzie nie zaimponował szerokim zakresem możliwości, pokazał jednak praktycznie, że komputer kwantowy jest zdolny do rozwiązywania w ciągu kilku sekund problemów, które konwencjonalnemu komputerowi zajęłyby nawet dziesiątki lat. Jest zdolny? Nie – dopiero ma być!

Dawno, dawno temu...

... sławny amerykański fizyk Richard Feynman, laureat Nagrody Nobla i skądinąd jeden ze współtwórców broni jądrowej, wygłosił w Massachusetts Institute of Technology (MIT) wykład, w którym przedstawił niemożność przekształcenia systemu kwantowego w klasyczny model komputerowy – zamiast tego zaproponował podstawowy model logiczny komputera kwantowego. Tę chwilę, rok 1981, przyjmuje się za ostateczne narodziny komputera kwantowego, a Feynman traktowany jest jako jego moralny twórca. Niczego nie ujmując najwybitniejszemu z dydaktyków fizyki, jakim bez wątpienia był Feynman, warto jednak zauważyć zbieżność tez jego wykładu z pracami z 1976 roku, przypisywanymi polskiemu filozofowi Romanowi Ingardenowi, wykazujacymi niemożność przeniesienia klasycznej teorii informacji Shannona na płaszczyznę kwantową. Prace teoretyczne nad relacjami pomiędzy teorią informacji a mechaniką kwantową były zresztą prowadzone jeszcze wcześniej, od początku lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, a ich podsumowanie stanowił opublikowany w 1985 roku model uniwersalnego komputera kwantowego, stanowiący dopasowany do kwantowego środowiska odpowiednik klasycznej maszyny Turinga.

Skąd się bierze kwantowa odmienność, dlaczego klasyczne teorie nie sprawdzają się w kwantowym świecie? Wyjaśnienie tej zagadki powie nam również, dlaczego komputer kwantowy dysponuje możliwościami nieosiągalnymi dla klasycznych komputerów.

Kot Schrödingera, czyli kwantowa odmienność

W klasycznych komputerach wartość bitu jest odwzorowywana przez stan jakiegoś elementu – przewodzenie/nieprzewodzenie tranzystora, zwrot natężenia pola magnetycznego lub inne zjawisko fizyczne. Przeniesienie takiego odwzorowania na platformę kwantową jest bardzo kuszące, oznaczałoby bowiem możliwość ogromnego skoku miniaturyzacji – zamiast milionów atomów, tworzących pojedynczy tranzystor, wystarczałby jeden atom, którego stanom kwantowym byłyby przypisane stany logiczne „0” i „1”. Mało tego – cząstki, a wraz z nimi atomy, mają cechę, która byłaby wymarzona do tego celu, a jest nią spin. Cóż to takiego? Wyobraźmy sobie cząstkę lub atom jako kulkę, wirującą wokół własnej osi. Jej cechą charakterystyczną będzie moment pędu – to, co utrzymuje w pionie wirującego bąka. Atom oczywiście nie wiruje, ale jego spin stanowi w uproszczeniu kwantowy odpowiednik momentu pędu wirującej kulki. Jakież byłoby piękne – rejestry procesora, zbudowane z 64 atomów każdy! Niech spin każdego z tych atomów odzwierciedla wartość odpowiedniego bitu, który, ze względu na kwantowy charakter nazwiemy qubitem (quantum bit). Niestety, z własnościami kwantowymi cząstek, w tym ich spinem, jest nieco gorzej, niż z układami w skali makro. Pamiętamy zapewne ze szkoły regułę nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że jeśli jesteśmy w stanie oznaczyć połażenie cząstki, to nie możemy oznaczyć jej pędu. Znając położenie cząstki nie możemy oznaczyć zwrotu jej wektora spinu. Czy to oznacza, że qubit nie ma wartości? Nie!

Qubit ma dwie wartości, „0” i „1” równocześnie. Brzmi to nieco abstrakcyjnie, ale wyjaśnienia problemu może dostarczyć szczególna postać mechaniki kwantowej, powstała właśnie w tym celu – kot Schrödingera. Erwin Schrödinger w jednym ze swoich artykułów posłużył się, celem wyjaśnienia stanu superpozycji kwantowej, dość oryginalnym eksperymentem myślowym, polegającym na umieszczeniu kota w zamkniętym pudełku, wraz z aparaturą, która może go uśmiercić, lub nie. Tak „opakowany” kot jego zdaniem doskonale ilustruje stan superpozycji kwantowej – jest równocześnie żywy i nieżywy. Oczywiście z punktu widzenia mechaniki kwantowej, bo w skali makro możemy oczywiście mówić jedynie o prawdopodobieństwie tego, czy kot żyje, czy nie.

Jeśli przyjmiemy do wiadomości równoczesność kwantowego życia i śmierci kota, fakt, że qubit zawiera równocześnie jedynkę i zero staje się oczywisty. Popatrzmy, co z tego wynika. Jeśli weźmiemy słowo złożone z ośmiu bitów, zwane popularnie bajtem, może ono zawierać jedną z 256 możliwych wartości. Tymczasem „qubajt” złożony z ośmiu qubitów zawiera równocześnie wszystkie 256 możliwych wartości. Tu właśnie tkwi ogromy potencjał komputera kwantowego – jeśli na takim „qubajcie” wykonamy jakąś operację, zostanie ona wykonana na wszystkich wartościach równocześnie. Odnosząc to do działania komputerów klasycznych, operacja taka ma charakter operacji typu SIMD (Single Instrucion Multiple Data) na 256 różnych wartościach. Oczywiście, jeśli wydłużymy słowo kwantowe, równocześnie obrabiany zakres danych ulegnie poszerzeniu – w przypadku 16 qubitów będzie to 65536 równoczesnych wartości.

Abstrahując na razie od problemu wydobycia z kwantowej jednostki obliczeniowej uzyskanego wyniku, widzimy wyraźnie, że komputer kwantowy ma olbrzymie, choć niezbyt konwencjonalne możliwości przetwarzania. I dlatego przewidywano, że jednym z pierwszych praktycznych zastosowań komputera kwantowego będzie łamanie szyfrów – przy możliwości sprawdzenia tysięcy kombinacji równocześnie nawet metoda „brute force” musi dać pozytywny rezultat w krótkim czasie. Początki, jeszcze teoretyczne, takiego zastosowania komputera kwantowego dał już w1995 roku Peter Shor, tworząc oparty na własnościach komputera kwantowego algorytm rozkładu liczby na czynniki pierwsze.

Ocena artykułu:
Ocen: 3
Zaloguj się, by móc oceniać
anomalocaris (2007.02.25, 16:21)
Ocena: 0

0%
Ryszardzie, niech już będzie, jak jest; w sumie - tematyka powinna być popularyzowana, a do prostych i łatwo wytłumaczalnych nie należy. Tym niemniej fajnie byłoby, gdybyś chociaż zastrzeżenie z ostatniego zdania od autora umieścił jednak na początku, bo się trochę zdążyłem zagotować przy czytaniu.

PS. Ale nazwania kota Schrödingera „szczególną postacią mechaniki kwantowej” to jednak nie wybaczam smilies/szczerbaty.gif
elektrownik (2007.02.25, 16:26)
Ocena: 0

0%
ciekawy artykół, interesowałem się tą tematyką od dawna smilies/smile.gif
kiaad (2007.02.25, 16:28)
Ocena: 0

0%
nie wiem czemu ale ta tematyka mnie przeraża, a zarazem fascynuje smilies/smile.gif

może dlatego, że jak widze takie wodtryski to mam przed oczami film Trminatorka ? smilies/wink.gif
*Konto usunięte* (2007.02.25, 16:33)
Ocena: 0
ironizując, gdzie jest test OC? smilies/szczerbaty.gif

a tak na serio, tematyka ciężka, ale nowinki nigdy nie są łatwo wytłumaczalne. Mam nadzieję, że za parę(naście) lat ta idea będzie niczym innym jak codziennością. Choć idea, że taki "komputer" nadaje się do łamania haseł ciut przeraża, w nieodpowiednich rękach taki sprzęt może nieźle namieszać.
Wojtasss (2007.02.25, 16:40)
Ocena: 0

0%
Gdy tylko takie komputery wejda do powrzechnego urzytku( za 20, 30 lat? ), wszystkie zabezpieczenia w postaci hasel przestana miec wieksze znaczenie....
*Konto usunięte* (2007.02.25, 16:41)
Ocena: 0
CYTAT(anomalocaris @ 25 lutego 2007, 16:21) <{POST_SNAPBACK}>
... bo się trochę zdążyłem zagotować przy czytaniu.

Trochę emocji też dobrze robi, nawet negatywnych. smilies/bigsmile.gif

CYTAT
PS. Ale nazwania kota Schrödingera „szczególną postacią mechaniki kwantowej” to jednak nie wybaczam smilies/szczerbaty.gif

A co, biedne półżywe stworzonko na to nie zasługuje?
Semyazz (2007.02.25, 16:43)
Ocena: 0

0%
@up: ja to bym sie tak nie martwił ... gdy takie komputery wejda do uzytku ... oj a na to przyjdzie nam raczej poczekac ... ;] to zapewne będa juz nowe algorytmy szyfrujące ;] i nowe rodzaje zabezpieczeń ;P Jak jakas technologia sie rozwija to nie znaczy reszta świata stoi i patrzy ;]
anomalocaris (2007.02.25, 16:44)
Ocena: 0

0%
CYTAT(rs @ 25 lutego 2007, 16:41) <{POST_SNAPBACK}>
A co, biedne półżywe stworzonko na to nie zasługuje?

Zasługiwałoby, gdybyś użył słowa „postać” jako synonim bohatera; ale nie tak przeca było, nieprawdaż? smilies/cool.gif Miałeś na myśli coś w rodzaju interpretacji kopenhaskiej itp. Przy okazji kota - mogłeś choć w jednym zdaniu wspomnieć o dekoherencji...
*Konto usunięte* (2007.02.25, 16:48)
Ocena: 0
CYTAT
mogłeś choć w jednym zdaniu wspomnieć o dekoherencji...

Za trudne samo słowo, a co dopiero pojęcie... smilies/bigsmile.gif
anomalocaris (2007.02.25, 16:49)
Ocena: 0

0%
Oznaczaj trudniejsze na czerwono! smilies/bigsmile.gif
Zaloguj się, by móc komentować
Artykuły spokrewnione
Facebook
Ostatnio komentowane