reklama

O krok bližšie ku kvantovým počítačom

Počítače ktoré používame síce podliehajú zákonitostiam kvantovej mechaniky, ale nie sú to kvantové počítače. Kvantové počítače využívajú vnútorný stav častíc, napríklad orientáciu spinu. Doteraz boli vyvinuté kvantové registre ušité na mieru len na isté špeciálne úlohy. V novembri vyšla správa o prvom programovateľnom kvantovom procesore založenom na qubitoch, ktoré sú prevedené za pomoci iónov berýlia. Klasický počítač operuje s reťazcami núl a jednotiek, ktoré konvertuje do nových reťazcov. Pozícia v reťazci sa volá bit a môže mať hodnotu 0 alebo 1. Fyzikálne prevedenie hodnoty klasického bitu je jednoduché. Stav bitu môže reprezentovať vypínač, pričom stav „zapnutý" znamená 1 a „vypnutý" 0. Alebo sa využíva magnetizácia orientovaná hore ako hodnota 1, dole ako 0. Prevedenie kvantového počítača je o niečo komplikovanejšie. Stav kvantového bitu, čiže qubitu,  nie je 1 ani 0, ale superpozícia týchto dvoch stavov. V analógii s vypínačom, qubit je súčasne v stave „zapnutý" aj „vypnutý", kým ho nezmeriame...

Písmo: A- | A+
Diskusia  (30)

Samotné meranie ovplyvní to, aký bude výsledok. Qubity sa ešte môžu nachádzať v takzvanom etanglovanom stave, čo je pre kvantové počítače požehnanie, ale niekedy aj prekliatie. Etanglovaný stav znamená, že meranie jedného qubitu rozhodne aká bude nameraná hodnota toho druhého. Výsledok merania sa riadi takzvaným Bohrovým pravidlom. Nameraná hodnota qubitu je daná súčtom pravdepodobností všetkých jeho stavov. Tieto špeciálne vlastnosti prácu s qubitmi komplikujú. Na druhej strane podstatne skracujú výpočtový čas a šetria miesto pamäti počítača.

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Na pochopenie zákonitostí kvantového sveta nám bežná prax nestačí, skôr ho sťažuje. Kvantový svet sa správa celkom inak ako makroskopický svet, proti našej intuícii. S princípmi kvantovej mechaniky sa treba vžiť, nejako ich stráviť, predýchať. Niekedy ich nie je až také ťažké pochopiť, ako zmieriť sa s nimi.

Čo znamená pojem stav a čo je to superpozícia stavov zaujímavo vysvetľuje veľmi jednoduchý experiment. Intenzitu žiarenia dokážeme zoslabiť natoľko, aby sme na detektore videli signály patriace jednotlivým fotónom. (Fotóny sú častice. Patria do skupiny bozónov. Majú dokonca aj hmotnosť.) Nechajme ich dopadať na polopriepustné zrkadlo (Experiment 1 na obrázku). Polopriepustné zrkadlo znamená, že časť žiarenia sa od neho odrazí a časť prejde. Samotné slovo polopriepustné naznačuje, že keď do smeru odrazeného a prechádzajúceho žiarenia umiestnime detektory, namerajú rovnaké hodnoty intenzít. Inak povedané, zmerajú rovnaký počet dopadajúcich fotónov. Stav častice v tomto prípade znamená, či je fotón nameraný na detektore 1 alebo 2.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Ako sa fotón rozhodne či má zrkadlom prejsť, alebo sa odraziť? To klasická teória nevie vysvetliť. Vyzerá to, akoby fotón dopredu vedel koľko fotónov sa za ním odrazí a koľko prejde. Lenže teória relativity hovorí, že informácia sa nemôže šíriť rýchlejšie ako svetlo.

Keby sme polopriepustným zrkadlom nechali prechádzať len jeden fotón, nedostaneme signál na oboch detektoroch, ale len na jednom. Pravdepodobnosť, že fotón detekujeme na jednom alebo druhom detektore, je rovnaká. Čo sa stane, keď tento fotón namiesto detekcie odrazíme späť na polopriepustné zrkadlo? Na polopriepustnom zrkadle by sa mal opäť rozhodnúť, či sa odrazí alebo prejde. Fotón ale so stopercentnou pravdepodobnosťou prejde zrkadlom, akoby ignoroval možnosť odrazu a akoby sa opäť skompletizoval do pôvodného stavu v akom bol na začiatku experimentu.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Podobný experiment je na obrázku Experiment 2. Dva zväzky fotónov odrazíme na polopriepustné zrkadlo. Podľa klasickej teórie by sa dalo očakávať, že zaznamenáme fotóny na oboch detektoroch s pravdepodobnosťou 1/2. Ale nie je tomu tak. Všetky fotóny dopadnú len na jeden detektor. Tento jav sa nazýva interferencia. V smere detektora 2 ide o takzvanú deštruktívnu interferenciu. Ak jeden zo zväzkov fotónov odtienime (Experiment 3), opäť dostaneme signál na oboch detektoroch, pretože fotóny nemajú s čím interferovať.

Stav častice by sme si nemali predstavovať tak, že častica je v jednom stave s pravdepodobnosťou a a v druhom s pravdepodobnosťou b. Častica sa nachádza v oboch stavoch. Slovník kvantovej mechaniky hovorí, že častica je v superpozícii všetkých možných stavov, kým ju nezmeriame.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Richard Feynman by to asi povedal takto: Fotón si nevybral jednu z dráh medzi dvomi zrkadlami. Fotón sa medzi dvomi miestami môže šíriť po rôznych dráhach súčasne s rôznymi pravdepodobnosťami. Feynman takto vymyslel vlastnú formuláciu kvantovej mechaniky cez dráhové integrály. Na konci experimentu (pri meraní) sa väčšina pravdepodobností týchto dráh vyruší.

Meraním qubitu jeho stav zmeníme, inými slovami jeho počiatočný stav pokazíme. Klasický bit prečítaním nijako neporušíme. Jeho stav je rovnaký ako pred meraním. Jeden qubit v sebe nesie na rozdiel od bitu až dva vstupné údaje naraz (existuje súčasne v dvoch stavoch), dvoj-qubitový systém štyri (00, 11, 01, 10) a n-qubitový systém až 2n údajov. To znamená, že počítač môže v jednom kroku vykonať výpočet na 2n vstupných číslach, ktoré sú zakódované v superpozícii n-qubitoch, pričom klasický počítač musí vykonať 2n krokov na vykonanie toho istého matematického výpočtu. Toto je zásadná výhoda kvantových počítačov. Hovoríme, že kvantový počítač dokáže vykonávať výpočty paralelne. Z jedného qubitu však rovnako ako z bitu dostaneme nakoniec len jednu informáciu, 1 alebo 0. Keby sa do tejto problematiky neoprel Feynman a Deutsch, na základe poslednej skutočnosti by sa o kvantové počítače asi zaujímali iba filozofi...

Pri simuláciách kvantových systémov na klasickom počítači rastú nároky na výpočtový čas, Richard Feynman otočil tento problém na to, ako využiť samotnú evolúciu kvantových systémov na simuláciu akéhokoľvek fyzikálneho javu. Významný krok v tejto oblasti urobil David Deutsch, ktorý v roku 1985 opísal univerzálny kvantový počítač a vymyslel veľmi jednoduchý, ale o to geniálnejší kvantový algoritmus, ktorý sa stal podnetom k vývinu ostatných kvantových algoritmov (Shorov, Groverov vyhľadávací algoritmus).

V Deutschovom algoritme sa pýtame na istú vlastnosť zadanej funkcie (či je konštantná alebo rovnomerná). Klasický počítač musí vypočítať hodnoty tejto funkcie a porovnať ich. Teda urobiť dve operácie. Kvantový počítač to urobí v jednom kroku. Síce sa nedozvieme nič o individuálnych hodnotách funkcie, dostaneme ale relatívnu hodnotu výsledku. To znamená, či sú, alebo nie sú hodnoty tejto funkcie rovnaké. Kvantový počítač nám nedodá toľko informácií ako klasický počítač, ale to ani nepotrebujeme, pretože zodpovie otázku, na ktorú sme chceli vedieť odpoveď a hlavne to urobí v kratšom čase.

Ďalší významný krok vo využití qubitových systémov urobil Shor. Jedna z veľmi komplikovaných úloh vo výpočtovej technike je faktorizácia veľkých čísiel, čo znamená prepis čísla na súčin prvočísiel. Prepis do jednotiek a núl má v klasických počítačoch exponenciálnu závislosť počítačového času a pamäte od počtu miest daného čísla. Albert Shor v roku 1994 objavil kvantový algoritmus, ktorý náročnosť tohto problému znížil na kvadratickú. Kvantový počítač by teda vedel zlomiť kryptovacie systémy ako RSA, ktorý sa používa napríklad na ochranu bankových údajov, v reálnom čase.

Doterajšie experimenty sa snažili vyriešiť problém, ako kontrolovať stavy atómov a fotónov, teda ako vytvoriť kvantovú logickú bránu. V roku 1998 vyrobili dvoj-qubitvý systém, ktorý na princípe jadrovej magnetickej rezonancie riadene mení orientáciu spinu atómových jadier. Veľkým problémom vždy bolo, ako eliminovať vzájomnú interakcie medzi časticami a medzi prostredím, ktoré narušujú ich stavy.

V novembri tohto roku fyzici z inštitúcie NIST (National Institute of Standards and Technology) pod vedením D. Hannekena vytvorili zariadenie, ktoré je opäť o krok bližšie k prvému programovateľnému kvantovému procesoru. Na vytvorenie dvoj-qubitového systému využili elektromagnetickú pascu. V tejto pasci sa šíria vibrácie v iónoch berýlia. Ióny magnézia použili na ich ochladzovanie. Ióny sú od seba prirodzene odpudzované a oddeľované za pomoci elektród. Do konkrétnych vibračných stavov sú navedené pomocou laserových pulzov. Každý ión mohli riadiť separátne, pretože ich vzájomné vzdialenosti boli väčšie ako vlnová dĺžka laserového žiarenia, ktorá ióny excituje. Ich kvantový procesor pracoval s 15 vstupmi a otestovali na ňom 160 rôznych náhodných výpočtov. Každá dvoj-qubitová brána samostatne pracuje spoľahlivo. Problém je pri implementácii týchto brán do väčšieho systému. Intenzita laserového pulzu, ktorá ich riadi, kolíše. Na to sa ešte nabaľujú optické chyby komponentov, cez ktoré laserové žiarenie prechádza.

Čo dodať na záver? Asi len že N krokov pre ľudstvo, jeden krok pre kvantovku :-)

Zdroje:

Realization of a programmable two-qubit quantum processor: D. Hanneke, J. P. Home, J. D. Jost, J. M. Amini, D. Leibfried, D. J. Wineland (2009), www.physorg.com/news177515046.html

Richard Feynman: Simulating physics with computers, Michael Demmer, Rodrigo Fonseca, Farinaz Koushanfar, http://www.cs.berkeley.edu/~demmer/papers/feynman.pdf

Lecture notes on quantum computation, N. David Mermin (2006), http://www.freescience.info/go.php?pagename=books&id=1704

Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer, David Deutsch (1985), http://www.ceid.upatras.gr/tech_news/papers/quantum_theory.pdf

A short Introduction to Quantum Computation, A. Barenco, A.Ekert, A. Sanpera, C. Machiavello (1996), http://cam.qubit.org/node/60

anna kiliánová

anna kiliánová

Bloger 
  • Počet článkov:  16
  •  | 
  • Páči sa:  1x

Občas trochu z cesty... ale čo, túlam sa celkom rada. Zoznam autorových rubrík:  SúkromnéNezaradené

Prémioví blogeri

Karolína Farská

Karolína Farská

4 články
Juraj Karpiš

Juraj Karpiš

1 článok
Milota Sidorová

Milota Sidorová

5 článkov
Jiří Ščobák

Jiří Ščobák

752 článkov
Yevhen Hessen

Yevhen Hessen

20 článkov
reklama
reklama
SkryťZatvoriť reklamu