O kvantnim kompjuterima slušamo barem nekoliko godina. Ali šta je to? Čemu služi kvantni računar? Danas je sve o tome jednostavnim riječima.
Quantum kompjuter je izum u koji mnogi istraživači polažu velike nade, očekujući da će pozitivno uticati na razvoj nauke. Međutim, vrlo je teško razumjeti kako kvantna fizika funkcionira. Neki fizičari čak sumnjaju da li sadašnje "kvantne kompjutere" treba tako nazvati. Najveća prepreka u upotrebi kvantnog računarstva je veliki broj grešaka na koje utiču i najmanje promene u okruženju kvantnih mašina. Do sada još nismo uspjeli u potpunosti na zadovoljavajući način iskoristiti potencijal kvantnih bitova. Danas ćemo pokušati da saznamo šta je posebno kod ovih kvantnih bitova?
Postoje li kvantni kompjuteri?
Suština svakog pravog naučnika je da ne veruje i da sve vreme proverava. Sjetio sam se ovih riječi još dok sam bio student. I više puta se uvjerio u ispravnost ove fraze. Ovo se odnosi i na "kvantne kompjutere". Zašto sam citirao nazive ovih kompjutera? Saznajmo.
Kvantni kompjuteri su veoma složena tema, ali pokušaću da je učinim što jednostavnijom i pričam o njima na pristupačan način. Čak i danas naučnici, fizičari i inženjeri mogu raspravljati o naizgled jednostavnom pitanju postoji li kvantni kompjuter koji radi negdje u svijetu. „Ali kako se, na kraju krajeva, kompanije poput IBM-a hvale kvantnim kompjuterima!“ – može neko reći. I biće u pravu. Ostaje otvoreno pitanje da li je IBM zaista stvorio kvantni računar ili je jednostavno nazvao svoj uređaj „kvantnim računarom“.
Kada me jedan od mojih prijatelja zamoli da jednostavnim riječima objasnim po čemu se kvantni računari razlikuju od kompjutera na koje smo navikli, obično koristim jednostavno poređenje. Ako naši klasični računari (npr Pc, laptopa to pametni telefoni) su svijeće, zatim su kvantni kompjuteri sijalice. Svrha oba je ista – za žarulje sa žarnom niti i svijeće, to je emisija svjetlosti, a za kompjutere za proračune. Međutim, u oba slučaja cilj se postiže potpuno drugačije, a rezultat je drugačiji. Jednostavno rečeno, kvantni kompjuter nije samo poboljšana verzija modernih kompjutera, kao što sijalica nije samo veća svijeća. Ne možete stvoriti sijalicu praveći sve bolje i bolje. Sijalica je drugacija tehnologije, zasnovan na dubljem naučnom razumevanju. Isto tako, kvantni kompjuter je nova vrsta uređaja zasnovana na kvantnoj fizici, i baš kao što je sijalica promijenila društvo, kvantni kompjuteri mogu utjecati na mnoge aspekte naših života, uključujući sigurnosne potrebe, zdravstvenu zaštitu, pa čak i internet.
Dakle, ako se držimo poređenja kompjutera sa sijalicama, onda se „kvantni Joseph Swan“ (tvorac prve funkcionalne sijalice sa žarnom niti) još nije pojavio, a nauka do sada pokušava, jednostavnim riječima, da napravi "nešto crveno i vruće" provjeravanjem koliko sija. Znamo neke od teoretskih osnova kako kvantni računari rade, ali postoje ogromne prepreke njihovom razvoju koje još uvijek čekaju da budu riješene.
Istraživački centri i kompanije širom svijeta sprovode daljnja ispitivanja i istraživanja, a stručnjaci iz oblasti kvantne fizike slažu se da će stvaranje potpuno funkcionalnih kvantnih mašina koje možemo koristiti za postizanje ciljeva koje je nemoguće postići u ovoj fazi očito proći desetke godina.
Vjerujem, a mnogi naučnici će se složiti sa mnom, da mašine koje se trenutno nazivaju kvantni kompjuteri uopće ne zaslužuju takav naziv. Nedostaju im sposobnosti da izvode proračune ili rješavaju probleme koje ne možemo riješiti na normalan, klasičan način.
Još nismo dostigli toliki stepen našeg tehnološkog razvoja da bismo mogli da napravimo kvantnu mašinu koja bi rešavala probleme koji su trenutno nedostupni klasičnim računarima. Naravno, Google ili IBM govore o nekim ili drugim izvedenim proračunima koje bi bilo teško izvesti na klasičan način, ali trenutno nisu uvjerljivi.
Pročitajte također: Kina je takođe željna istraživanja svemira. Pa kako im ide?
Šta je kvant?
Šta je uopšte "kvant"? To nije fizički objekt. Termin "kvant" se koristi u fizici da opiše najmanji mogući dio nečega. Dakle, možete imati "kvant sile", "kvant vremena" ili "kvant čestice". Prateći ovaj put, doći ćemo do pojmova kao što su "kvantna fizika" i "kvantna mehanika", odnosno grane nauke koje se bave najmanjim mogućim interakcijama ili sistemima - na nivou atoma, pa čak i pojedinačnih kvarkova.
I sada smo došli do kubita (kvantnog bita), odnosno do "najmanje i nedjeljive jedinice kvantne informacije". Istovremeno dolazimo i do prve tačke, koja nam govori o sličnostima i razlikama u tome kako klasični računari (koji koriste bitove) i kvantni računari (koji koriste kubite) izvode proračune.
U klasičnim računarima, svaka informacija je pohranjena kao niz jedinica i nula. Takve informacije percipiraju i tumače računar, konzola, pametni telefon, pametni sat to smart TV, slično operacijama koje se izvode nad ovim informacijama. Bilo da gledamo fotografije sa odmora, ćaskamo sa prijateljima, igramo najnoviju igricu ili izvodimo napredne kriptografske proračune, sve se dešava u binarnom sistemu gde postoje 0 ili 1 i ništa više. Zapravo, to je više kao klasično da ili ne.
Koliko je ovaj sistem neefikasan vidi se kada dostignemo njegove granice. I bilo da nam ponestane prostora na pametnim telefonima za još jedan selfi ili naučnici pokušavaju da kreiraju matematičke modele razvoja pandemije, problem je u tome što ima previše nula i jedinica, resursa za njihovo skladištenje i moći da se izračunajte da nisu dostupni.
Qubit rješava ovaj problem. Ova informacija koristi svojstva kvantne fizike koja joj omogućavaju da ostane u takozvanoj superpoziciji. Kubit može imati bilo koju vrijednost između 0 i 1. Ima svojstva cijelog spektra i može imati vrijednosti kao što su 15 posto nula i 85 posto jedan. Teoretski, ovo vam omogućava da sačuvate mnogo više informacija ili ubrzate proračune. Ali istovremeno se javlja mnogo problema koje je teško kontrolisati, pa čak i razumjeti.
Još jedna karakteristika kvantnih računara, koja omogućava dodatno skaliranje računarske snage, je upotreba kvantnog zapleta. Ovo je stanje u kojem su dva kubita međusobno povezana, i svaki put kada promatramo jedan od njih, drugi će biti u potpuno istom stanju. Entanglement omogućava da se kubiti grupišu u još efikasnije jedinice za snimanje i obradu informacija.
Pročitajte također: Ko su biohakeri i zašto se dobrovoljno čipiraju?
Kvantna oprema
Kvantni računar se sastoji od tri glavna dela: oblasti za skladištenje kubita, metode za prenos signala do kubita i klasičnog računara za pokretanje programa i slanje instrukcija.
Kvantni materijal koji čini kubite je delikatan i izuzetno osjetljiv na utjecaje okoline. Za neke metode skladištenja kubita, jedinica u kojoj se nalaze kubiti održava se na temperaturi blizu apsolutne nule kako bi se maksimizirala njihova koherentnost. Druge vrste skladištenja kubita koriste vakuumsku komoru za minimiziranje vibracija i stabilizaciju kubita.
Postoje različite metode prijenosa signala do kubita, kao što su mikrovalne pećnice, laseri i električni napon.
Da bi se uspostavio normalan rad kvantnih računara, potrebno je riješiti mnoge probleme. Glavni problem s kvantnim kompjuterima je ispravljanje grešaka, a skaliranje (dodavanje više kubita) dodatno povećava njihovu frekvenciju. Zbog ovih ograničenja, kvantni personalni računar na vašem stolu je još uvijek daleka budućnost, ali komercijalni kvantni računari mogu postati dostupni u bliskoj budućnosti. Razgovarajmo o tome detaljnije.
Problemi kvantnih računara
Međutim, kvantni računari imaju jedan ogroman problem. Odnosno, naučnici imaju ogroman problem sa njihovom upotrebom, jer, zahvaljujući svojim posebnim svojstvima, kubitima je potrebno dovoljno mirno okruženje da bi mogli precizno da pročitaju bilo koji podatak iz njih. Svaki, pa i najmanji prekršaj onemogućit će precizno čitanje informacija.
U slučaju klasičnih računara, sličan problem je takođe igrao važnu ulogu u prošlosti, ali je danas toliko beznačajan da se često zanemaruje čak iu akademskoj nauci. Govorimo o stopi greške. To je indikator koji određuje koji udio bitova ili kubita informacija može biti oštećen. To se može dogoditi, na primjer, u trenutku prenapona ili drugih smetnji.
Za klasične uređaje, vjerovatnoća greške je približno jedan do 1017 bit U slučaju kvantnih kompjutera, ovo je još uvijek jedan od nekoliko stotina. I to u situaciji kada kvantni kompjuteri rade u najizolovanijim uslovima i na temperaturi od -272 stepena Celzijusa, odnosno nešto iznad apsolutne nule. Bilo kakve temperaturne fluktuacije, promjene u elektromagnetnom polju, pa čak i kretanje uništavaju cijeli proračun.
Drugi problem je "nestabilnost" kvantnih stanja. Svaki put kada mjerimo ili želimo poremetiti kvantno stanje, ono se vraća na jednu od dvije pozicije, nulu i jedan. U ovom slučaju, kvantno stanje će se raspasti. Ovaj proces se naziva kvantna dekoherencija.
Razmislite o tome ovako: kvantni kompjuter je vješt matematičar koji izvodi složene proračune, a njegovi rezultati su između 0 i 1 milion. Mi smo pak dijete koje samo razumije da nečega može biti previše ili premalo. Kad god bi matematičar mogao imati različite rezultate, kao što je 356 ili 670,23, prema našem razumijevanju svijeta svaki od ovih rezultata bi bio klasifikovan kao nekoliko (1) ili mnogo (846), bez definiranja posebne razlike između ta dva. Ovo je kvantna dekoherencija. Jedini način da se napravi ispravan proračun je da se garantuje matematički rad prije nego što se završi.
Pročitajte također: Šta će upornost i domišljatost učiniti na Marsu?
Za šta ćemo koristiti kvantne računare?
Danas se postavlja pitanje za šta se mogu koristiti kvantni računari, baš kao i prije 20 godina, čemu sve može služiti pametni telefon. Naravno, već postoje neki planovi i pretpostavke, ali najzanimljiviji pravci upotrebe kubita će vjerovatno postati jasni kada kvantni računari postanu široko rasprostranjeni.
Kriptografija je jedno od najpopularnijih područja gdje se kvantno računanje najčešće koristi. Stvar je u tome što će to biti metoda prenošenja informacija na vrlo siguran način, a sigurnost se ne zasniva na složenosti računarskih procesa, već na zakonima fizike, koji će dati povjerenje da su neke stvari jednostavno nemoguće. I u ovom trenutku biće nemoguće slušati, špijunirati, hakovati.
Sigurnost je u ovom slučaju zagarantovana samim fizičkim svojstvima kubita, koji, kao što sam ranije objasnio, prestaju da pokazuju karakteristike superpozicije čim se uoče. Dakle, svaki pokušaj presretanja ili čak kopiranja kodirane poruke jednostavno će je uništiti.
Kvantni kompjuteri nam također mogu omogućiti bolje razumijevanje prirodnih procesa. "Haos" superpozicije mnogo bolje odražava način, na primjer, mutacija u DNK, a samim tim i razvoj bolesti i evolucije. Kvantno računarstvo se već danas koristi za stvaranje novih lijekova.
Možda ima smisla govoriti o upotrebi kvantnih kompjutera za teleportaciju podataka. Da, upravo teleportacija podataka, a moguće i osobe. Moći ćemo teleportirati informacije s mjesta na mjesto bez fizičkog prenošenja. Zvuči kao fantazija, ali je moguće, jer se ta fluidnost kvantnih čestica može zaplesti u vremenu i prostoru, tako da promjena jedne čestice može utjecati na drugu, a to stvara kanal za teleportaciju. Ovo je već pokazano u laboratorijama i moglo bi biti dio kvantnog interneta budućnosti. Takvu mrežu još nemamo, ali neki naučnici već rade na tim mogućnostima, simulirajući kvantnu mrežu na kvantnom kompjuteru. Već su razvili i implementirali zanimljive nove protokole, poput teleportacije između korisnika mreže i efikasnog prijenosa podataka, pa čak i sigurnog glasanja.
Treba reći i da kvantne kompjutere treba koristiti za simulaciju različitih situacija i pronalaženje rješenja za probleme, uključujući lijekove i vakcine. Na primjer, tokom pandemije poput koronavirusa, kada je potrebno brže izračunavanje i izračunavanje opcija. Ovdje možete koristiti mogućnost kvantnog modeliranja, koje se ne može izvesti na klasičnom računaru. Kada se pojavi nova bolest, proces pronalaženja lijeka traje oko 15 godina i može koštati do 2,6 milijardi dolara. Kod nekih bolesti, potrebno je filtrirati milione molekula da bi se identifikovale samo stotine perspektivnih pojedinaca koji će verovatno postati donori. Zatim, tokom testiranja, otprilike 99% molekula se ispusti zbog, između ostalog, pogrešnog predviđanja ponašanja i ograničenja uzorkovanja. Tu bi kvantni kompjuteri došli do izražaja.
A ovo su još samo neke od divnih ideja o tome šta se može postići upotrebom kvantne fizike. Trenutno uspevamo donekle da ukrotimo njen hiroviti karakter, ali su svi razvoji još uvek na početnom nivou. Stvaranje pravog kvantnog kompjutera i njegova masovna primena je još dosta daleko, ali napredak ne miruje. Stoga ćete možda za desetak godina čitati ovaj članak uz pomoć kvantnog kompjutera i snishodljivo se smiješiti.
Pročitajte također:
Çoch sağ olun, muellimin bize modernih memorijskih uređaja