Prawie ka¿da dzi¶ ksi±¿ka po¶wiêcona ró¿nym aspektom mechaniki kwantowej nie mo¿e siê obyæ bez przypomnienia dwóch prawd. Pierwsza z nich g³osi, ¿e miniony i obecny wiek nale¿y nazwaæ stuleciem informacji i komputerów. A druga powiada, ¿e wkrótce powstan± komputery kwantowe o takiej mocy obliczeniowej, przy której najbardziej zaawansowane superkomputery klasyczne bêdzie mo¿na porównaæ do liczyde³. Nikt tylko nie mówi kiedy to dok³adnie nast±pi.
Kiedy kwantowy komputer bêdzie mo¿na zwyczajnie kupiæ w sklepie? Mo¿e ju¿ nawet za 10-15 lat, powiada prof. Marek Ku¶ z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, choæ od razu dodaje, ¿e zalicza siê w tej dziedzinie do optymistów. Zadecyduj± – jak mówi - uwarunkowania ekonomiczne. Na badania w tej dziedzinie przeznacza siê stosunkowo du¿o pieniêdzy a to zawsze dobrze wró¿y badaniom. Obecnie na ca³ym ¶wiecie nad kwantowym przetwarzaniem informacji pracuje kilka o¶rodków uniwersyteckich. Kilka tego typu zaawansowanych projektów finansuje Unia Europejska w ramach V Programu Ramowego. W Polsce KBN finansuje du¿y zamówiony przez siebie program po¶wiêcony spintronice. Jest to dosyæ szeroki program badañ do¶wiadczalnych wykorzystuj±cy do przetwarzania informacji stany spinowe elektronów w uk³adach pó³przewodnikowych. Pracuje nad tym kilka grup fizyków z Warszawy i z Poznania.
Polskie o¶rodki dosyæ wcze¶nie w³±czy³y siê w badania nad podstawami kwantowej informatyki. Przoduje Uniwersytet w Gdañsku, jest te¿ kilka grup fizyków teoretyków w Krakowie, Wroc³awiu, Poznaniu. Czynione s± te¿ próby stworzenia ogólnopolskiej sieci o¶rodków zajmuj±cych siê fizycznymi podstawami przetwarzania informacji.
Po¿ytki z paradoksów kwantowych
Budujemy coraz bardziej zagêszczone i coraz wydajniejsze procesory. Zgodnie z empirycznym prawem Moore’a, jednego z twórców Intela, liczba elementarnych tranzystorów w procesorze podwaja siê co pó³tora roku. £atwo wiêc wyobraziæ sobie moment, w którym buduj±c kolejne procesory zaczniemy operowaæ wielko¶ciami zbli¿onymi do wielko¶ci jednego atomu. Czy prawa fizyki wed³ug których dzia³a obecny komputer bêd± wtedy nadal obowi±zywa³y? Otó¿ nie.
Na poziomie mikro¶wiata musimy zacz±æ uwzglêdniaæ prawa mechaniki kwantowej. To nak³ada na konstruktorów komputerów kwantowych pewne ograniczenia, ale w ca³kiem niespodziewany sposób jest te¿ ¼ród³em niebagatelnych korzy¶ci. Prof. Ku¶ wyja¶nia to tak:
Jednym z najbardziej paradoksalnych zjawisk w mechanice kwantowej jest to, ¿e obowi±zuje tam inne prawo wystêpowania uk³adów w danym stanie ni¿ jeste¶my do tego przyzwyczajeni na poziomie makroskopowym. Na poziomie makroskopowym wiadomo gdzie co jest. Na kwantowym – obiekty mikro¶wiata mog± wystêpowaæ w wielu stanach równocze¶nie. Dopiero oddzia³ywanie ze ¶wiatem zewnêtrznym powoduje, ¿e stan siê ukonkretnia i wtedy mamy do czynienia z pomiarem okre¶laj±cym prêdko¶æ czy po³o¿enie cz±stki.
Jak to bêdzie w przypadku komputera? Zwykle dajemy mu co¶ na wej¶cie, przepuszczamy pr±d elektryczny i otrzymujemy stan na wyj¶ciu. W mechanice kwantowej zasada dzia³ania jest taka sama, ale mo¿liwo¶ci inne. Tym razem ju¿ na wej¶ciu mo¿emy wprowadziæ stan, który jest jakby sum± wszystkich mo¿liwych stanów. Na przyk³ad, w normalnym komputerze, ¿eby obliczyæ warto¶æ jakiej¶ funkcji dla n kolejnych liczb naturalnych musimy wykonaæ n procesów obliczeniowych. W komputerze kwantowym wystarczy zrobiæ to tylko raz, gdy¿ na wej¶ciu mo¿emy mieæ stan, który niejako koduje wszystkie mo¿liwe wej¶cia od jednego do n.
Potêga obliczeñ kwantowych wynika z tego, ¿e w stanach kwantowych mo¿emy rozpatrywaæ znacznie wiêcej uk³adów ni¿ w stanach klasycznych. Obliczenia mo¿na te¿ znacznie przyspieszyæ (przydatne na przyk³ad w procesach przewidywania pogody, zmian klimatycznych, zmian stanu ¶rodowiska).
Nowy komputer - nowe programy
Takich programów jest jak dot±d bardzo ma³o, co wynika oczywi¶cie i z braku komputerów kwantowych, ale i z tego, ¿e uda³o siê zrobiæ dopiero kilka spektakularnych obliczeñ, zajmuj±cych czasowo astronomicznie wielkie skale czasowe przy komputerach klasycznych, a które da³oby siê obliczaæ w czasie realnym w komputerach kwantowych.
Najbardziej spopularyzowanym algorytmem jest ten, który pokazuje jak znajdowaæ czynniki pierwsze du¿ych liczb. Oto mamy bardzo du¿± liczbê i trzeba j± roz³o¿yæ na czynniki pierwsze. £atwo policzyæ, ¿e je¿eli ta liczba jest kilkudziesiêciocyfrowa to znalezienie przy obecnych mo¿liwo¶ciach komputerów jej czynników pierwszych wymaga³oby czasu przekraczaj±cego ¿ycie ludzkie, a je¿eli siê tê liczbê o kilka rzêdów powiêkszy - to o szacowany czas istnienia Wszech¶wiata. Znajdowaniem takich wielkich liczb pierwszych mog³yby siê zajmowaæ komputery kwantowe, a ten kto pierwszy pozna tak wielkie liczby bêdzie móg³ na tej podstawie szyfrowaæ dane.
Z drugiej strony, zastosowanie mechaniki kwantowej do przesy³ania informacji pozwala na tworzenie zupe³nie nowych sposobów zabezpieczania danych. Wykorzystuje siê tu tak± w³asno¶æ mechaniki kwantowej, ¿e pomiar uk³adu kwantowego w sposób nieodwracalny niszczy ten uk³ad. Wynik tego pomiaru nie pozwala nam ca³kowicie odtworzyæ stanu przed pomiarem, co pozwala np. kontrolowaæ, czy przesy³ana informacja by³a w jaki¶ sposób pods³uchiwania, zmieniana, czy by³y jakie¶ próby jej odczytania itp.
K³opoty i nadzieje konstruktorów
G³ówn± przeszkod± 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 traktowaæ w pewnym przybli¿eniu jak pomiar, który ukonkretnia stan pewnego stanu kwantowego. Ca³y wysi³ek in¿ynierów idzie wiêc w kierunku wymy¶lenia takiego uk³adu fizycznego, który by³by bardzo odporny na wp³yw otoczenia. Testuje siê m.in. pomys³ zmierzaj±cy do przetrzymywania atomów w pu³apkach magnetycznych i sterowania nimi impulsami ¶wiat³a laserowego (podobnie jak to jest w przypadku magnetycznego rezonansu j±drowego), czy sterowania stanami spinowymi elektronów w przewodnikach. Tempo prowadzonych prac i postêp, jaki dokona³ siê w tej dziedzinie w ostatnich latach pozwalaj± wierzyæ, ¿e jeszcze za naszego ¿ycia pierwszy komputer kwantowy pojawi siê w jakim¶ laboratorium. A z czasem mo¿e i na biurku...
text z
http://www.sprawynauki.waw.pl/?section=article&art_id=449