Prawie ka¿da dziœ ksi¹¿ka poœwiêcona ró¿nym aspektom mechaniki kwantowej nie mo¿e siê obyÌ bez przypomnienia dwóch prawd. Pierwsza z nich g³osi, ¿e miniony i obecny wiek nale¿y nazwaÌ stuleciem informacji i komputerów. A druga powiada, ¿e wkrótce powstan¹ komputery kwantowe o takiej mocy obliczeniowej, przy której najbardziej zaawansowane superkomputery klasyczne bêdzie mo¿na porównaÌ do liczyde³. Nikt tylko nie mówi kiedy to dok³adnie nast¹pi.

Kiedy kwantowy komputer bĂŞdzie moÂżna zwyczajnie kupiĂŚ w sklepie? MoÂże juÂż nawet za 10-15 lat, powiada prof. Marek KuÂś z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, choĂŚ od razu dodaje, Âże zalicza siĂŞ w tej dziedzinie do optymistĂłw. ZadecydujÂą – jak mĂłwi - uwarunkowania ekonomiczne. Na badania w tej dziedzinie przeznacza siĂŞ stosunkowo duÂżo pieniĂŞdzy a to zawsze dobrze wró¿y badaniom. Obecnie na caÂłym Âświecie nad kwantowym przetwarzaniem informacji pracuje kilka oÂśrodkĂłw uniwersyteckich. Kilka tego typu zaawansowanych projektĂłw finansuje Unia Europejska w ramach V Programu Ramowego. W Polsce KBN finansuje duÂży zamĂłwiony przez siebie program poÂświĂŞcony spintronice. Jest to dosyĂŚ szeroki program badaĂą doÂświadczalnych wykorzystujÂący do przetwarzania informacji stany spinowe elektronĂłw w ukÂładach pó³przewodnikowych. Pracuje nad tym kilka grup fizykĂłw z Warszawy i z Poznania.

Polskie oœrodki dosyÌ wczeœnie w³¹czy³y siê w badania nad podstawami kwantowej informatyki. Przoduje Uniwersytet w Gdaùsku, jest te¿ kilka grup fizyków teoretyków w Krakowie, Wroc³awiu, Poznaniu. Czynione s¹ te¿ próby stworzenia ogólnopolskiej sieci oœrodków zajmuj¹cych siê fizycznymi podstawami przetwarzania informacji.


PoÂżytki z paradoksĂłw kwantowych

Budujemy coraz bardziej zagĂŞszczone i coraz wydajniejsze procesory. Zgodnie z empirycznym prawem Moore’a, jednego z twĂłrcĂłw Intela, liczba elementarnych tranzystorĂłw w procesorze podwaja siĂŞ co pó³tora roku. ÂŁatwo wiĂŞc wyobraziĂŚ sobie moment, w ktĂłrym budujÂąc kolejne procesory zaczniemy operowaĂŚ wielkoÂściami zbliÂżonymi do wielkoÂści jednego atomu. Czy prawa fizyki wedÂług ktĂłrych dziaÂła obecny komputer bĂŞdÂą wtedy nadal obowiÂązywaÂły? Otó¿ nie.

Na poziomie mikroœwiata musimy zacz¹Ì uwzglêdniaÌ prawa mechaniki kwantowej. To nak³ada na konstruktorów komputerów kwantowych pewne ograniczenia, ale w ca³kiem niespodziewany sposób jest te¿ Ÿród³em niebagatelnych korzyœci. Prof. Kuœ wyjaœnia to tak:

Jednym z najbardziej paradoksalnych zjawisk w mechanice kwantowej jest to, Âże obowiÂązuje tam inne prawo wystĂŞpowania ukÂładĂłw w danym stanie niÂż jesteÂśmy do tego przyzwyczajeni na poziomie makroskopowym. Na poziomie makroskopowym wiadomo gdzie co jest. Na kwantowym – obiekty mikroÂświata mogÂą wystĂŞpowaĂŚ w wielu stanach rĂłwnoczeÂśnie. Dopiero oddziaÂływanie ze Âświatem zewnĂŞtrznym powoduje, Âże stan siĂŞ ukonkretnia i wtedy mamy do czynienia z pomiarem okreÂślajÂącym prĂŞdkoœÌ czy poÂłoÂżenie czÂąstki.

Jak to bêdzie w przypadku komputera? Zwykle dajemy mu coœ na wejœcie, przepuszczamy pr¹d elektryczny i otrzymujemy stan na wyjœciu. W mechanice kwantowej zasada dzia³ania jest taka sama, ale mo¿liwoœci inne. Tym razem ju¿ na wejœciu mo¿emy wprowadziÌ stan, który jest jakby sum¹ wszystkich mo¿liwych stanów. Na przyk³ad, w normalnym komputerze, ¿eby obliczyÌ wartoœÌ jakiejœ funkcji dla n kolejnych liczb naturalnych musimy wykonaÌ n procesów obliczeniowych. W komputerze kwantowym wystarczy zrobiÌ to tylko raz, gdy¿ na wejœciu mo¿emy mieÌ stan, który niejako koduje wszystkie mo¿liwe wejœcia od jednego do n.

PotĂŞga obliczeĂą kwantowych wynika z tego, Âże w stanach kwantowych moÂżemy rozpatrywaĂŚ znacznie wiĂŞcej ukÂładĂłw niÂż w stanach klasycznych. Obliczenia moÂżna teÂż znacznie przyspieszyĂŚ (przydatne na przykÂład w procesach przewidywania pogody, zmian klimatycznych, zmian stanu Âśrodowiska).


Nowy komputer - nowe programy

Takich programĂłw jest jak dotÂąd bardzo maÂło, co wynika oczywiÂście i z braku komputerĂłw kwantowych, ale i z tego, Âże udaÂło siĂŞ zrobiĂŚ dopiero kilka spektakularnych obliczeĂą, zajmujÂących czasowo astronomicznie wielkie skale czasowe przy komputerach klasycznych, a ktĂłre daÂłoby siĂŞ obliczaĂŚ w czasie realnym w komputerach kwantowych.

Najbardziej spopularyzowanym algorytmem jest ten, który pokazuje jak znajdowaÌ czynniki pierwsze du¿ych liczb. Oto mamy bardzo du¿¹ liczbê i trzeba j¹ roz³o¿yÌ na czynniki pierwsze. £atwo policzyÌ, ¿e je¿eli ta liczba jest kilkudziesiêciocyfrowa to znalezienie przy obecnych mo¿liwoœciach komputerów jej czynników pierwszych wymaga³oby czasu przekraczaj¹cego ¿ycie ludzkie, a je¿eli siê tê liczbê o kilka rzêdów powiêkszy - to o szacowany czas istnienia Wszechœwiata. Znajdowaniem takich wielkich liczb pierwszych mog³yby siê zajmowaÌ komputery kwantowe, a ten kto pierwszy pozna tak wielkie liczby bêdzie móg³ na tej podstawie szyfrowaÌ dane.
Z drugiej strony, zastosowanie mechaniki kwantowej do przesy³ania informacji pozwala na tworzenie zupe³nie nowych sposobów zabezpieczania danych. Wykorzystuje siê tu tak¹ w³asnoœÌ mechaniki kwantowej, ¿e pomiar uk³adu kwantowego w sposób nieodwracalny niszczy ten uk³ad. Wynik tego pomiaru nie pozwala nam ca³kowicie odtworzyÌ stanu przed pomiarem, co pozwala np. kontrolowaÌ, czy przesy³ana informacja by³a w jakiœ sposób pods³uchiwania, zmieniana, czy by³y jakieœ próby jej odczytania itp.


KÂłopoty i nadzieje konstruktorĂłw

G³ówn¹ przeszkod¹ w skonstruowaniu komputera kwantowego jest to, ¿e taki komputer zawsze jest poddany oddzia³ywaniu z zewnêtrznym otoczeniem. Dla komputera kwantowego nie tylko zrzucenie ze sto³u, ale nawet minimalne sprzê¿enie z otoczeniem mo¿na traktowaÌ w pewnym przybli¿eniu jak pomiar, który ukonkretnia stan pewnego stanu kwantowego. Ca³y wysi³ek in¿ynierów idzie wiêc w kierunku wymyœlenia takiego uk³adu fizycznego, który by³by bardzo odporny na wp³yw otoczenia. Testuje siê m.in. pomys³ zmierzaj¹cy do przetrzymywania atomów w pu³apkach magnetycznych i sterowania nimi impulsami œwiat³a laserowego (podobnie jak to jest w przypadku magnetycznego rezonansu j¹drowego), czy sterowania stanami spinowymi elektronów w przewodnikach. Tempo prowadzonych prac i postêp, jaki dokona³ siê w tej dziedzinie w ostatnich latach pozwalaj¹ wierzyÌ, ¿e jeszcze za naszego ¿ycia pierwszy komputer kwantowy pojawi siê w jakimœ laboratorium. A z czasem mo¿e i na biurku...

text z http://www.sprawynauki.waw.pl/?section=article&art_id=449

Naukowcy z The Australian National University sÂą autorami najbardziej efektywnej jak dotychczas koÂści kwantowej pamiĂŞci. UdaÂło im siĂŞ zatrzymaĂŚ i kontrolowaĂŚ ÂświatÂło oraz manipulowaĂŚ elektronami. Wszystko w krysztale schÂłodzonym do temperatury -270 stopni Celsjusza.

Œwiat³o wpadaj¹ce do kryszta³u jest zwalniane a¿ do zatrzymania siê i pozostaje tam tak d³ugo, jak chcemy. Otrzymujemy w ten sposób trójwymiarowy hologram, dok³adny do ostatniego fotonu - mówi³ Morgan Hedges, g³ówny autor badaù.

Doda³ przy tym, ¿e z fakt, i¿ taki hologram mo¿na odczytaÌ tylko raz, czyni ca³oœÌ bardzo dobrym narzêdziem s³u¿¹cym bezpiecznej komunikacji.

Australijscy naukowcy majÂą teÂż nadziejĂŞ, Âże uda siĂŞ przeprowadziĂŚ testy pokazujÂące, jak kwantowe splÂątanie ma siĂŞ do teorii wzglĂŞdnoÂści.

Mo¿emy spl¹taÌ stany kwantowe w dwóch uk³adach pamiêci, to znaczy w dwóch kryszta³ach. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, odczytanie stanu jednego z nich doprowadzi do zmiany stanu drugiego, niezale¿nie od odleg³oœci dziel¹cych oba kryszta³y. Zgodnie z teori¹ wzglêdnoœci, to w jaki sposób p³ynie czas dla uk³adu pamiêci zale¿y od tego, jak siê on porusza. Jeœli bêdziemy mieli dobre koœci kwantowej pamiêci, to do zbadania interakcji pomiêdzy obiema teoriami wystarczy wsadziÌ jeden z kryszta³ów do baga¿nika samochodu i wybraÌ siê na przeja¿d¿kê - stwierdza doktor Matthew Sellars. Zespó³ Sellarsa ju¿ wczeœniej pokaza³, jak mo¿na zatrzymaÌ œwiat³o w krysztale na ponad sekundê, czyli 1000-krotnie d³u¿ej, ni¿ by³o to mo¿liwe wczeœniej.

Teraz uczeni po³¹czyli wysok¹ wydajnoœÌ z mo¿liwoœci¹ zatrzymania œwiat³a na ca³e godziny.


Autor: Mariusz BÂłoĂąski

ÂŹrĂłdÂło: The Australian National University
http://kopalniawiedzy.pl/The-Australian-National-University-pamiec-kwantowa-krysztal-swiatlo-Morgan-Hedges-Matthew-Sellars-10726.html