Ta witryna wykorzystuje pliki cookie, dowiedz się więcej Zgadzam się
>>> Strona główna >>> Archiwum wiadomości >>> Komputery kwantowe

Komputery kwantowe

2014-03-30 07:51:18

Szacowne czasopismo Wiedza i Życie, które od ponad stu lat popularyzuje osiągnięcia naukowe w ostatnim marcowym numerze (3/2014) drukuje artykuł dr. Marcina Bieńkowskiego Obliczenia na kwantach poświęcony komputerom kwantowym.

W tradycyjnych komputerach wartości reprezentujące przetwarzane przez komputer dane zapisywane są w postaci ciągów zer i jedynek (binarne kodowanie informacji). W maszynach kwantowych dane są reprezentowane przez stan kwantowy układu. Ewolucja układu kwantowego odpowiada procesowi obliczeniowemu (w klasycznych komputerach jest nim przełączanie tranzystorów). Stworzenie odpowiedniego algorytmu (programu) kwantowego teoretycznie pozwala na dużo szybsze osiągnięcie wyników. Kwantowe bramki logiczne operują na bitach kwantowych - qubitach.

Postępująca miniaturyzacja w elektronice, kiedy liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co osiemnaście miesięcy a wielkości obwodów mierzy się w nanometrach natrafia na ograniczenia spowodowane efektami kwantowymi. Sytuacje takie przeczuwali twórcy mechaniki kwantowej Heisenberg, Dirac, Schrödinger.

Teoria informacji kwantowej jest teorią zastosowania specyficznych cech mechaniki kwantowej do opisu i przekazywania obserwacji.

Działanie komputerów kwantowych: qubit nie ma ustalonej wartości, ale znajduje sie w stanie pośrednim pomiędzy zerem i jedynką - jest superpozycją zera i jedynki. Oznacza to, że z pewnym prawdopodobieństwem znajduje się w stanie 0 i z pewnym prawdopodobieństwem w stanie 1. Suma tych prawdopodobieństw daje pewność. Średnia wartość wynikająca z wykonania wielu operacji daje mniej lub bardziej prawdopodobny wynik. Układ wielu qubitów tworzy rejestr kwantowy. Dane zawarte w rejestrze kwantowym są przetwarzane przez układy kwantowych bramek logicznych (obwody kwantowe).

Utrudnieniem w budowie komputera kwantowego jest zjawisko charakterystyczne dla mechaniki kwantowej polegające na tym, że w chwili pomiaru znika w qubicie superpozycja zera i jedynki, czyli znika wynik obliczeń (przypomina się zasada nieoznaczoności Heisenberga). W rozwiązaniu tego problemu wykorzystano zjawisko tzw. splątania kwantowego, które polega na skorelowaniu stanu kwantowego dwóch lub więcej układów kwantowych (tutaj dwóch qubitów). Drugi qubit jest cieniem pierwszego i zawiera takie same informacje jak oryginał. Może też splątany qubit być nie kopią pierwszego ale jego negacją – oba qubity mogą być w pełnej antykorelacji i w czasie pomiaru zamiast jedynki otrzyma się zero. Wynik obliczeń przy tak niepewnych jednostkach pamięci jest mniej lub bardziej prawdopodobny. Aby zbliżał się do pewności należy wykonać odpowiednio dużo operacji.

Autorem logicznego modelu działania komputera kwantowego jest Richard Feynman, który wykładem w 1981 r. zainicjował badania nad komputerem wykorzystującym prawa mechaniki kwantowej. David Deutsch znany propagator teorii światów równoległych stworzył kompletną teorię działania komputera kwantowego. Współpracował z nim polski fizyk i informatyk Artur Ekert, który za prace nad wykorzystaniem w kryptografii efektu splątania został nagrodzony w 1995 Medalem Maxwella.

Jednocześnie Peter Shor z AT&T Bell Labs w Murray Hill stworzył algorytm, który przy użyciu komputera kwantowego mógłby szybko rozkładać bardzo duże liczby na iloczyny liczb pierwszych. W 2001 r. algorytm ten wykorzystali badacze z Stanford University i firmy IBM do zademonstrowania obliczeń na 7 qubitowym komputerze kwantowym wykorzystującym rezonans magnetyczny.

Inne interesujące algorytmy to algorytm Kitajewa do przeprowadzenia szybkiej kwantowej transformacji Fouriera, algorytm Grovera mogący służyć do przeszukiwania ogromnych nieposortowanych baz danych i inne.

Algorytm Shora ma ogromne i coraz bardziej niepokojące znaczenie w kryptografii. Pozwala na błyskawiczne odtworzenie klucza prywatnego używanego w powszechnie wykorzystywanym algorytmie szyfrowania RSA, który jest obecnie nawet przez superkomputery nie do złamania.

Najnowsze informacje na temat przekuwania idei w komputery służące do praktycznego stosowania to wspólny zakup Google i NASA najszybszego z istniejących komputerów kwantowych zbudowanego w firmie D-Wave System. Dwa lata wcześniej firma ta sprzedała podobny komputer poprzedniej generacji firmie Lockheed Martin.

Możemy się pocieszać, że wydając miliardy dolarów na niesławne, przestarzałe F-16 przyczyniliśmy się w jakimś stopniu do rozwoju najnowocześniejszej techniki komputerowej.

Osoby interesujące się omawianymi zagadnieniami, a także innymi nowinkami naukowymi namawiam do sięgnięcia po Pismo Wiedza i Życie (cena 7,99), ale też przypominam, że w Bibliotece jest kilka książek omawiających algorytmy kwantowe, poświęconym zagadnieniom szyfrowania np. A. Białas i inni, Klasyczne i kwantowe metody podniesienia bezpieczeństwa informacji w systemach komputerowych, Ch. C. Gerry, P. L. Knight, Wstęp do optyki kwantowej, a przede wszystkim M. Le Bellac, Wstęp do informatyki kwantowej.

Oprac. na podstawie Wiedza i Życie
Magdalena Hornowska

Robocik WWSI