Komputery kwantowe – nastĂŞpcy pecetĂłw?

Prawie kaÂżda dziÂś ksiÂąÂżka poÂświĂŞcona rĂłÂżnym aspektom mechaniki kwantowej nie moÂże siĂŞ obyĂŚ bez przypomnienia dwĂłch prawd. Pierwsza z nich gÂłosi, Âże miniony i obecny wiek naleÂży nazwaĂŚ stuleciem informacji i komputerĂłw. A druga powiada, Âże wkrĂłtce powstanÂą komputery kwantowe o takiej mocy obliczeniowej, przy ktĂłrej najbardziej zaawansowane superkomputery klasyczne bĂŞdzie moÂżna porĂłwnaĂŚ do liczydeÂł. Nikt tylko nie mĂłwi kiedy to dokÂładnie nastÂąpi.

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 wrĂłÂży 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 pĂłÂłprzewodnikowych. Pracuje nad tym kilka grup fizykĂłw z Warszawy i z Poznania.

Polskie oÂśrodki dosyĂŚ wczeÂśnie wÂłÂączyÂły siĂŞ w badania nad podstawami kwantowej informatyki. Przoduje Uniwersytet w GdaĂąsku, jest teÂż kilka grup fizykĂłw teoretykĂłw w Krakowie, WrocÂławiu, Poznaniu. Czynione sÂą teÂż prĂłby stworzenia ogĂłlnopolskiej sieci oÂśrodkĂłw zajmujÂących siĂŞ 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 pĂłÂłtora 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? OtĂłÂż nie.

Na poziomie mikroÂświata musimy zaczÂąĂŚ uwzglĂŞdniaĂŚ prawa mechaniki kwantowej. To nakÂłada na konstruktorĂłw komputerĂłw kwantowych pewne ograniczenia, ale w caÂłkiem niespodziewany sposĂłb jest teÂż ÂźrĂłdÂłem niebagatelnych korzyÂści. Prof. KuÂś wyjaÂśnia 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 prĂŞdkoÂśĂŚ czy poÂłoÂżenie czÂąstki.

Jak to bĂŞdzie w przypadku komputera? Zwykle dajemy mu coÂś na wejÂście, przepuszczamy prÂąd elektryczny i otrzymujemy stan na wyjÂściu. W mechanice kwantowej zasada dziaÂłania jest taka sama, ale moÂżliwoÂści inne. Tym razem juÂż na wejÂściu moÂżemy wprowadziĂŚ stan, ktĂłry jest jakby sumÂą wszystkich moÂżliwych stanĂłw. Na przykÂład, w normalnym komputerze, Âżeby obliczyĂŚ wartoÂśĂŚ jakiejÂś funkcji dla n kolejnych liczb naturalnych musimy wykonaĂŚ n procesĂłw obliczeniowych. W komputerze kwantowym wystarczy zrobiĂŚ to tylko raz, gdyÂż na wejÂściu moÂżemy mieĂŚ stan, ktĂłry niejako koduje wszystkie moÂżliwe wejÂścia 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, ktĂłry pokazuje jak znajdowaĂŚ czynniki pierwsze duÂżych liczb. Oto mamy bardzo duÂżÂą liczbĂŞ i trzeba jÂą rozÂłoÂżyĂŚ na czynniki pierwsze. ÂŁatwo policzyĂŚ, Âże jeÂżeli ta liczba jest kilkudziesiĂŞciocyfrowa to znalezienie przy obecnych moÂżliwoÂściach komputerĂłw jej czynnikĂłw pierwszych wymagaÂłoby czasu przekraczajÂącego Âżycie ludzkie, a jeÂżeli siĂŞ tĂŞ liczbĂŞ o kilka rzĂŞdĂłw powiĂŞkszy - to o szacowany czas istnienia WszechÂświata. Znajdowaniem takich wielkich liczb pierwszych mogÂłyby siĂŞ zajmowaĂŚ komputery kwantowe, a ten kto pierwszy pozna tak wielkie liczby bĂŞdzie mĂłgÂł na tej podstawie szyfrowaĂŚ dane.
Z drugiej strony, zastosowanie mechaniki kwantowej do przesyÂłania informacji pozwala na tworzenie zupeÂłnie nowych sposobĂłw zabezpieczania danych. Wykorzystuje siĂŞ tu takÂą wÂłasnoÂśĂŚ mechaniki kwantowej, Âże pomiar ukÂładu kwantowego w sposĂłb nieodwracalny niszczy ten ukÂład. Wynik tego pomiaru nie pozwala nam caÂłkowicie odtworzyĂŚ stanu przed pomiarem, co pozwala np. kontrolowaĂŚ, czy przesyÂłana informacja byÂła w jakiÂś sposĂłb podsÂłuchiwania, zmieniana, czy byÂły jakieÂś prĂłby jej odczytania itp.

KÂłopoty i nadzieje konstruktorĂłw

GÂłĂłwnÂą przeszkodÂą w skonstruowaniu komputera kwantowego jest to, Âże taki komputer zawsze jest poddany oddziaÂływaniu z zewnĂŞtrznym otoczeniem. Dla komputera kwantowego nie tylko zrzucenie ze stoÂłu, ale nawet minimalne sprzĂŞÂżenie z otoczeniem moÂżna traktowaĂŚ w pewnym przybliÂżeniu jak pomiar, ktĂłry ukonkretnia stan pewnego stanu kwantowego. CaÂły wysiÂłek inÂżynierĂłw idzie wiĂŞc w kierunku wymyÂślenia takiego ukÂładu fizycznego, ktĂłry byÂłby bardzo odporny na wpÂływ otoczenia. Testuje siĂŞ m.in. pomysÂł zmierzajÂący do przetrzymywania atomĂłw w puÂłapkach magnetycznych i sterowania nimi impulsami ÂświatÂła laserowego (podobnie jak to jest w przypadku magnetycznego rezonansu jÂądrowego), czy sterowania stanami spinowymi elektronĂłw w przewodnikach. Tempo prowadzonych prac i postĂŞp, jaki dokonaÂł siĂŞ w tej dziedzinie w ostatnich latach pozwalajÂą wierzyĂŚ, Âże jeszcze za naszego Âżycia pierwszy komputer kwantowy pojawi siĂŞ w jakimÂś laboratorium. A z czasem moÂże i na biurku...

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