V tomto blogovom príspevku preskúmame pozadie vývoja kvantových počítačov, ich princípy a ich súčasný stav a budeme diskutovať o ich význame.
„Kvantový počítač? Fuj…“
Každý, kto študoval fyziku na strednej škole, sa pravdepodobne zdráha už len pri zmienke o slove „kvantový“. Možno si pomyslíte: „Počítače, ktoré používame dnes, sú dosť rýchle a dobré...“, ale popredné výskumné inštitúcie vo vyspelých krajinách, vrátane IBM v USA, sa predbiehajú vo výskume kvantových počítačov. Inými slovami, kvantové počítače sa považujú za nevyhnutný prvok budúceho rozvoja ľudskej civilizácie. V tomto článku vysvetlím pozadie vzniku kvantových počítačov, ich princípy a ich súčasný stav. Aká je najdôležitejšia výzva, ktorej čelí ľudská civilizácia v 21. storočí?
Existujú rôzne počítačové architektúry, ale v súčasnosti používame von Neumannovu architektúru. Von Neumannova architektúra je forma, ktorá ako prvá realizovala metódu sekvenčného spracovania s internou pamäťou navrhnutú pre počítače; je charakterizovaná sadou inštrukcií, ktorá pozostáva z vykonávania postupnosti inštrukcií a úpravy hodnôt na špecifických miestach v pamäti.
Vďaka prelomovému pokroku v elektronike sa výpočtový výkon týchto počítačov neustále zvyšuje. Podľa Moorovho zákona – ktorý hovorí, že kapacita počítačovej pamäte sa zdvojnásobuje každých 18 mesiacov – sa zdá, že pamäť počítača bude naďalej rásť donekonečna. Avšak aj Moorov zákon má teoretický limit, ktorý nemožno prekonať. V súčasnosti je veľkosť jedného bitu pamäte oveľa väčšia ako atóm, ale ak by Moorov zákon platil, do roku 2020 by na vytvorenie jedného bitu pamäte bolo potrebné použiť jediný atóm. Bez ohľadu na to, ako dobre Moorov zákon obstál, nemôže dosiahnuť túto fázu. Dôvodom je, že kvantové javy sa stávajú silne zjavnými na atómovej úrovni a klasické fyzikálne javy – základ súčasnej výroby počítačov – už neplatia.
V extrémne malom svete atómovej mierky sa často vyskytujú udalosti, ktoré je ťažké pochopiť zdravým rozumom; nazývajú sa kvantové javy. Stávajú sa zvláštne veci, ako napríklad častice, ktoré sa náhle objavia na jednom mieste po tom, čo boli na inom, alebo existujú na dvoch alebo viacerých miestach súčasne. Keďže sa veľkosť pamäťových bitov zmenšuje na atómovú mierku, počítače von Neumannovho typu čelia obmedzeniam, pretože tieto kvantové javy môžu spôsobiť zmiznutie uložených údajov alebo sťažiť celkovú kontrolu. V dôsledku toho sa výskumníci snažia zvýšiť úložnú kapacitu a zameriavajú sa na hľadanie spôsobov, ako kvantové javy eliminovať.
Kvantové počítače však nevznikli zo snahy eliminovať kvantové javy, ale skôr z proaktívnej myšlienky, ktorá úplne obracia perspektívu: využiť kvantové javy.
Kvantové javy, princíp, na ktorom fungujú kvantové počítače, sa vzťahujú na udalosti, ktoré sa vyskytujú v mikroskopickom svete. Kvantové počítače využívajú najmä vlastnosť, že častice môžu existovať súčasne v dvoch alebo viacerých stavoch, kým nie sú pozorované. To znamená, že kvantové počítače používajú ako jednotku informácie „qubity“ – kvantové bity – a nie samotné bity. Zatiaľ čo bit môže predstavovať 0 alebo 1, qubit môže byť v superpozícii oboch stavov, čo mu umožňuje vykonávať výpočty zahŕňajúce 0 aj 1 súčasne.
Každý elektrón má jedinečný smer rotácie a kvantové počítače typicky používajú tento smer rotácie na prekrytie 0 a 1. Elektrón rotujúci nahor predstavuje 0 a elektrón rotujúci nadol predstavuje 1; prostredníctvom série procesov sa smery rotácie elektrónov môžu prekrývať tak, že sa zamotajú.
Pre ľahšie pochopenie si predstavte nasledujúci scenár.
Existujú dve mačky, Mačka 1 a Mačka 2, ktorých stavy živosti alebo mŕtvych sú prekryté a prepletené tak, že stav jednej mačky ovplyvňuje stav druhej. Keď sú stavy mačiek takto prepletené, ich kvantový stav je opísaný jednou vlnovou funkciou, ktorá predstavuje superpozíciu štyroch možných kvantových stavov: (živý, živý), (živý, mŕtvy), (mŕtvy, živý) a (mŕtvy, mŕtvy).
Ak by sme mali určiť stavy dvoch mačiek pomocou klasického počítača, museli by sme prejsť dvojkrokovým procesom: najprv skontrolovať stav kategórie 1 a potom skontrolovať stav kategórie 2. Naproti tomu pri použití kvantového počítača sa po určení stavu kategórie 1 stav kategórie 2 určí pravdepodobnostne. Je to preto, že stavy mačiek sú prepojené. Pravdepodobnostné určenie znamená, že nám je povedaná pravdepodobnosť, že sme nažive (X %), a pravdepodobnosť, že sme mŕtvi (Y %).
Vzhľadom na preferenciu moderných ľudí pre presné informácie nemusí byť myšlienka pravdepodobnostného výsledku lákavá, ale našťastie použitie kvantových algoritmov môže túto nevýhodu do istej miery zmierniť. Možno si pomyslíte: „Časový rozdiel približne dvojnásobok nie je až taký veľký problém, však?“ Ale tento časový rozdiel sa exponenciálne zvyšuje s rastúcim počtom qubitov. Vytvorením veľkého počtu qubitov, ktoré interagujú v kvantovo previazanom stave a zmenou stavu jedného qubitu sa automaticky menia aj kvantové stavy všetkých ostatných qubitov prepojených prostredníctvom previazania. Preto použitím kvantových algoritmov na spracovanie týchto zmien stavu podľa špecifických cieľov je možné súčasne vykonať obrovské množstvo spracovania informácií. Táto jedinečná schopnosť kvantových počítačov spracovať informácie, ktorá využíva javy superpozície a previazania, sa nazýva kvantový paralelizmus. Kvantové počítače môžu skrátiť výpočtový čas vykonávaním tohto typu kvantového paralelného spracovania.
Úložná kapacita je v počítači pravdepodobne rovnako dôležitá ako rýchlosť spracovania. Kvantové počítače budú pravdepodobne používať kvantové polovodiče; ich používanie ako skutočných pamäťových zariadení však predstavuje výzvu, pretože je ťažké vkladať a vysielať informácie do kvantových systémov a z nich a pri súčasnej technológii informácie uložené v atómoch dlhodobo nepretrvávajú. Ak sa však tieto ťažkosti prekonajú a kvantové polovodiče sa úspešne vyvinú, mohlo by byť možné uložiť všetky informácie z každého počítača v Soule do zariadenia veľkosti osobného počítača.
Na realizáciu kvantových počítačov je potrebné zaviesť vhodný kvantový systém, ktorý umožňuje kvantové paralelné spracovanie; v skutočnosti je to pravdepodobne najťažšia výzva. So súčasnou technológiou nie je možné udržiavať qubity – ktoré sa skladajú z kvantových častíc – dostatočne dlho, ani nedokážeme zabrániť tomu, aby sa qubity menili aj malými vplyvmi z vonkajšieho prostredia. V súčasnosti sa na udržanie stability qubitov čo najdlhšie používajú supravodiče. To však astronomicky zvyšuje výrobné náklady na qubity a keďže systém musí počas prevádzky udržiavať supravodivý stav, prevádzkové náklady sú tiež extrémne vysoké. Okrem toho, pretože na blokovanie vonkajších vplyvov na qubity je potrebné pokročilé zvukotesné a tieniace zariadenie, samotný počítač je veľmi veľký.
Pre porovnanie, najpokročilejším kvantovým počítačom, ktorý je v súčasnosti k dispozícii, je kvantový počítač s nukleárnou magnetickou rezonanciou (NMR) s výpočtovou kapacitou 7 qubitov. Ako príklad toho, čo tento počítač dokáže, dokáže identifikovať, ktoré čísla medzi 0 a 7 sú prvočísla.
Ako sa bude vyvíjať budúcnosť s príchodom kvantových počítačov? Niet pochýb o tom, že kvantové počítače prinesú revolučné zmeny vo všetkých aspektoch našej civilizácie, ale v tejto ranej fáze vývoja je nemožné plne predvídať ich vplyv na budúci svet. Navyše, keďže kvantové počítače nie sú navrhnuté tak, aby rýchlo vykonávali operácie, ako je sčítanie, úplne nenahradia súčasné počítače a doteraz boli ako užitočné identifikované iba dva alebo tri algoritmy.
S pokrokom nanotechnológie a zlepšovaním schopnosti ovládať kvantové stavy sa však bude rozvíjať aj technológia výroby kvantových počítačov, čo znamená, že kvantové počítače si nakoniec nájdu cestu na naše stoly. Ako už bolo vysvetlené, kvantové počítače – ktoré dokážu prekonať obmedzenia súčasných počítačov spôsobené kvantovými javmi a majú bezkonkurenčný výpočtový výkon – sú jednou z najdôležitejších výziev, ktorým čelí ľudská civilizácia v 21. storočí!
