V tej objavi na blogu bomo raziskali ozadje razvoja kvantnih računalnikov, njihova načela in trenutno stanje ter razpravljali o njihovem pomenu.
"Kvantni računalnik? Fuj ..."
Vsakdo, ki je v srednji šoli študiral fiziko, se bo verjetno zdrznil že ob sami omembi besede »kvantni«. Morda si mislite: »Računalniki, ki jih uporabljamo danes, so dovolj hitri in dobri ...«, vendar vodilne raziskovalne ustanove v razvitih državah, vključno z IBM-om v ZDA, hitijo z raziskavami kvantnih računalnikov. Z drugimi besedami, kvantni računalniki veljajo za nepogrešljiv element za prihodnji razvoj človeške civilizacije. V tem članku bom razložil ozadje nastanka kvantnih računalnikov, njihova načela in njihovo trenutno stanje. Kateri je najpomembnejši izziv, s katerim se človeška civilizacija sooča v 21. stoletju?
Obstajajo različne računalniške arhitekture, vendar trenutno uporabljamo von Neumannovo arhitekturo. Von Neumannova arhitektura je oblika, ki je prva uresničila metodo zaporedne obdelave z notranjim pomnilnikom, predlagano za računalnike; zanjo je značilen nabor ukazov, ki je sestavljen iz izvajanja zaporedja ukazov in spreminjanja vrednosti na določenih pomnilniških lokacijah.
Zahvaljujoč prelomnemu napredku v elektroniki se je računska moč teh računalnikov vztrajno povečevala. V skladu z Moorovim zakonom, ki pravi, da se zmogljivost računalniškega pomnilnika podvoji vsakih 18 mesecev, se zdi, da bo računalniški pomnilnik še naprej naraščal v nedogled. Vendar ima tudi Moorov zakon teoretično mejo, ki je ni mogoče premagati. Trenutno je velikost enega samega bita pomnilnika veliko večja od atoma, če pa Moorov zakon drži, bi bilo do leta 2020 treba za ustvarjanje enega samega bita pomnilnika uporabiti en sam atom. Ne glede na to, kako dobro se je Moorov zakon obnesel, ne more doseči te stopnje. Razlog je v tem, da kvantni pojavi postanejo močno očitni na atomski ravni, klasični fizikalni pojavi – osnova trenutne računalniške proizvodnje – pa ne veljajo več.
V izjemno majhnem svetu atomskega obsega se pogosto dogajajo dogodki, ki jih je težko razumeti z našo zdravo pametjo; ti se imenujejo kvantni pojavi. Dogajajo se nenavadne stvari, na primer delci, ki se nenadoma pojavijo na enem mestu, potem ko so bili na drugem, ali pa obstajajo na dveh ali več mestih hkrati. Ko se velikost pomnilniških bitov krči na atomski obseg, se računalniki von Neumannovega tipa soočajo z omejitvami, ker lahko ti kvantni pojavi povzročijo izginotje shranjenih podatkov ali otežijo celoten nadzor. Posledično se raziskovalci trudijo povečati zmogljivost shranjevanja in se osredotočajo na iskanje načinov za odpravo kvantnih pojavov.
Vendar kvantni računalniki niso nastali iz prizadevanja za odpravo kvantnih pojavov, temveč iz proaktivne ideje, ki popolnoma obrne perspektivo: izkoristiti kvantne pojave.
Kvantni pojavi, načelo kvantnih računalnikov, se nanašajo na dogodke, ki se dogajajo v mikroskopskem svetu. Kvantni računalniki izkoriščajo predvsem lastnost, da lahko delci obstajajo v dveh ali več stanjih hkrati, dokler jih ne opazimo. To pomeni, da kvantni računalniki kot informacijsko enoto uporabljajo »kubite« – kvantne bite – namesto bitov. Medtem ko lahko bit predstavlja 0 ali 1, je kubit lahko v superpoziciji obeh stanj, kar mu omogoča, da hkrati izvaja izračune, ki vključujejo tako 0 kot 1.
Vsak elektron ima edinstveno smer vrtenja in kvantni računalniki običajno uporabljajo to smer vrtenja za prekrivanje 0 in 1. Elektron, ki se vrti navzgor, predstavlja 0, elektron, ki se vrti navzdol, pa 1; z vrsto procesov se lahko smeri vrtenja elektronov prekrivajo tako, da se prepletejo.
Da bi to lažje razumeli, si oglejmo naslednji scenarij.
Obstajata dve mački, Mačka 1 in Mačka 2, katerih stanja živosti ali smrti se prekrivajo in prepletajo, tako da stanje ene mačke vpliva na stanje druge. Ko sta stanji mačk na ta način prepleteni, je njuno kvantno stanje opisano z eno samo valovno funkcijo, ki predstavlja superpozicijo štirih možnih kvantnih stanj: (živ, živ), (živ, mrtev), (mrtv, živ) in (mrtv, mrtev).
Če bi s klasičnim računalnikom določili stanja obeh mačk, bi morali iti skozi dvostopenjski postopek: najprej preveriti stanje kategorije 1 in nato stanje kategorije 2. Nasprotno pa se pri kvantnem računalniku, ko je določeno stanje kategorije 1, stanje kategorije 2 določi verjetnostno. To je zato, ker so stanja mačk prepletena. Verjetnostna določitev pomeni, da nam je znana verjetnost, da smo živi (X %), in verjetnost, da smo mrtvi (Y %).
Glede na to, da sodobni ljudje dajejo prednost natančnim informacijam, ideja verjetnostnega izida morda ni privlačna, a na srečo lahko uporaba kvantnih algoritmov to pomanjkljivost do neke mere ublaži. Morda si mislite: "Časovna razlika približno dvakrat večja ni velika stvar, kajne?", vendar se ta časovna razlika eksponentno povečuje z naraščanjem števila kubitov. Z ustvarjanjem velikega števila kubitov, ki medsebojno delujejo v kvantno prepletenem stanju, in spreminjanjem stanja enega samega kubita se samodejno spremenijo tudi kvantna stanja vseh drugih kubitov, povezanih prek prepletenosti. Zato je z uporabo kvantnih algoritmov za obdelavo teh sprememb stanj v skladu s specifičnimi cilji mogoče hkrati obdelati ogromno količino informacij. Ta edinstvena zmožnost kvantnih računalnikov za obdelavo informacij, ki izkorišča pojava superpozicije in prepletenosti, se imenuje kvantni paralelizem. Kvantni računalniki lahko s tovrstno kvantno vzporedno obdelavo skrajšajo čas računanja.
Zmogljivost shranjevanja je v računalniku verjetno prav tako pomembna kot hitrost obdelave. Kvantni računalniki bodo verjetno uporabljali kvantne polprevodnike; vendar pa obstajajo izzivi pri njihovi uporabi kot dejanskih naprav za shranjevanje, saj je težko vnašati in iznašati informacije v kvantne sisteme in iz njih, s trenutno tehnologijo pa se informacije, shranjene v atomih, ne ohranijo dolgo časa. Kljub temu, če bodo te težave premagane in bodo kvantni polprevodniki uspešno razviti, bo morda mogoče shraniti vse informacije iz vsakega računalnika v Seulu v napravi velikosti osebnega računalnika.
Za realizacijo kvantnih računalnikov je treba uvesti ustrezen kvantni sistem, ki omogoča kvantno vzporedno obdelavo; pravzaprav je to verjetno najtežji izziv. S trenutno tehnologijo je nemogoče vzdrževati kubite – ki so sestavljeni iz kvantnih delcev – dovolj dolgo, niti ne moremo preprečiti, da bi kubite spreminjali že tako majhni vplivi iz zunanjega okolja. Trenutno se za čim daljšo stabilnost kubitov uporabljajo superprevodniki. Vendar to astronomsko poveča proizvodne stroške kubitov, in ker mora sistem med delovanjem vzdrževati superprevodno stanje, so tudi obratovalni stroški izjemno visoki. Poleg tega je računalnik sam po sebi zelo velik, ker je za blokiranje zunanjih vplivov na kubite potrebna napredna oprema za zvočno izolacijo in zaščito.
Za referenco, trenutno najnaprednejši kvantni računalnik, ki je na voljo, je kvantni računalnik z jedrsko magnetno resonanco (NMR) s procesorsko zmogljivostjo 7 kubitov. Kot primer tega, kar ta računalnik zmore, lahko prepozna, katera števila med 0 in 7 so praštevila.
Kako se bo razvila prihodnost s pojavom kvantnih računalnikov? Ni dvoma, da bodo kvantni računalniki prinesli revolucionarne spremembe v vse vidike naše civilizacije, vendar je v tej zgodnji fazi razvoja nemogoče v celoti predvideti njihov vpliv na prihodnji svet. Poleg tega, ker kvantni računalniki niso zasnovani za hitro izvajanje operacij, kot je seštevanje, ne bodo popolnoma nadomestili sedanjih računalnikov, in doslej sta bila kot uporabna opredeljena le dva ali trije algoritmi.
Vendar pa se bo z napredkom nanotehnologije in izboljšanjem sposobnosti nadzora kvantnih stanj vzporedno razvijala tudi tehnologija izdelave kvantnih računalnikov, kar pomeni, da bodo kvantni računalniki sčasoma našli pot na naše mize. Kot smo že pojasnili, so kvantni računalniki – ki lahko premagajo omejitve trenutnih računalnikov, ki jih povzročajo kvantni pojavi, in imajo neprimerljivo računsko moč – eden najpomembnejših izzivov, s katerimi se sooča človeška civilizacija v 21. stoletju!
