O kvantových počítačoch počúvame už minimálne pár rokov. Ale čo to je? Na čo slúži kvantový počítač? Dnes je to všetko o tom jednoduchými slovami.
Kvantové počítač je vynález, do ktorého mnohí výskumníci vkladajú veľké nádeje a očakávajú, že bude mať pozitívny vplyv na rozvoj vedy. Pochopiť, ako funguje kvantová fyzika, je však veľmi ťažké. Niektorí fyzici dokonca pochybujú, či by sa tak mali nazývať súčasné „kvantové počítače“. Najväčšou prekážkou vo využívaní kvantových počítačov je veľké množstvo chýb, ktoré ovplyvňujú aj tie najmenšie zmeny v prostredí kvantových strojov. Zatiaľ sa nám zatiaľ nepodarilo úplne uspokojivo využiť potenciál kvantových bitov. Dnes sa pokúsime zistiť, čo je na týchto veľmi kvantových bitoch zvláštne?
Existujú kvantové počítače?
Podstatou každého skutočného vedca je nedôverovať a neustále kontrolovať. Spomenul som si na tieto slová, keď som bol ešte študent. A viac ako raz sa uistil o správnosti tejto frázy. To platí aj pre „kvantové počítače“. Prečo som citoval názov týchto počítačov? Poďme zistiť.
Kvantové počítače sú veľmi zložitá téma, no pokúsim sa to urobiť čo najjednoduchšie a porozprávať o nich prístupne. Aj dnes môžu vedci, fyzici a inžinieri polemizovať o zdanlivo jednoduchej otázke, či niekde na svete existuje fungujúci kvantový počítač. „Ale ako sa napokon spoločnosti ako IBM chvália kvantovými počítačmi!“ – možno povie niekto. A bude mať pravdu. Zostáva otvorenou otázkou, či IBM skutočne vytvorila kvantový počítač alebo jednoducho nazvala svoje zariadenie „kvantovým počítačom“.
Keď ma niekto z mojich priateľov požiada, aby som mu jednoduchými slovami vysvetlil, ako sa kvantové počítače líšia od počítačov, na ktoré sme zvyknutí, zvyčajne použijem jednoduché porovnanie. Ak naše klasické počítače (ako napr PC, notebooky že smartfóny) sú sviečky, potom sú kvantové počítače žiarovky. Účel oboch je rovnaký – pre žiarovky a sviečky je to emisia svetla a pre počítače na výpočty. V oboch prípadoch je však cieľ dosiahnutý úplne inak a výsledok je odlišný. Jednoducho povedané, kvantový počítač nie je len vylepšená verzia moderných počítačov, rovnako ako žiarovka nie je len väčšia sviečka. Žiarovku nevytvoríte tým, že budete sviečky robiť stále lepšie. Žiarovka je iná technológiena základe hlbšieho vedeckého poznania. Podobne je kvantový počítač novým typom zariadenia založeným na kvantovej fyzike a rovnako ako žiarovka zmenila spoločnosť, kvantové počítače môžu ovplyvniť mnohé aspekty nášho života, vrátane bezpečnostných potrieb, zdravotnej starostlivosti a dokonca aj internetu.
Ak teda zostaneme pri porovnaní počítačov so žiarovkami, tak „kvantový Joseph Swan“ (tvorca prvej funkčnej žiarovky) sa ešte neobjavil a zatiaľ sa veda snaží, zjednodušene povedané, "niečo červené a horúce" kontrolou, ako veľmi to svieti. Poznáme niektoré teoretické základy fungovania kvantových počítačov, no v ich vývoji stoja obrovské prekážky, ktoré ešte len čakajú na vyriešenie.
Výskumné centrá a spoločnosti po celom svete uskutočňujú ďalšie testy a výskumy a odborníci v oblasti kvantovej fyziky sa zhodujú, že vytvorenie plne funkčných kvantových strojov, ktoré môžeme použiť na dosiahnutie cieľov, ktoré je v tejto fáze nemožné dosiahnuť, bude samozrejme trvať desiatky rokov.
Verím, a mnohí vedci mi dajú za pravdu, že stroje, ktoré sa v súčasnosti nazývajú kvantové počítače, si takýto názov vôbec nezaslúžia. Chýba im schopnosť vykonávať výpočty alebo riešiť problémy, ktoré nedokážeme vyriešiť bežným, klasickým spôsobom.
Ešte sme nedosiahli taký stupeň nášho technologického rozvoja, aby sme boli schopní vytvoriť kvantový stroj, ktorý by riešil problémy, ktoré sú v súčasnosti pre klasické počítače nedostupné. Samozrejme, Google alebo IBM hovoria o niektorých alebo iných vykonaných výpočtoch, ktoré by bolo ťažké urobiť klasickým spôsobom, ale momentálne nie sú presvedčivé.
Prečítajte si tiež: Čína tiež túži skúmať vesmír. Ako sa im teda darí?
Čo je to kvantum?
Čo je to vlastne „kvantum“? Nie je to fyzický objekt. Pojem „kvantový“ sa vo fyzike používa na označenie najmenšieho možného zlomku niečoho. Takže môžete mať "kvantum sily", "časové kvantum" alebo "časticové kvantum". Po tejto ceste sa dostaneme k pojmom ako „kvantová fyzika“ a „kvantová mechanika“, teda vedné odbory zaoberajúce sa čo najmenšími interakciami či systémami – na úrovni atómov a dokonca aj jednotlivých kvarkov.
A teraz sme dosiahli qubit (kvantový bit), teda „najmenšiu a nedeliteľnú jednotku kvantovej informácie“. Zároveň sa dostávame aj k prvému bodu, ktorý nám hovorí o podobnostiach a rozdieloch v tom, ako klasické počítače (pomocou bitov) a kvantové počítače (pomocou qubitov) vykonávajú výpočty.
V klasických počítačoch je každá informácia uložená ako postupnosť jednotiek a núl. Takéto informácie vníma a interpretuje počítač, konzola, smartfón, inteligentné hodinky že smart TV, podobne ako operácie, ktoré sa vykonávajú s týmito informáciami. Či už si prezeráme fotky z dovolenky, chatujeme s priateľmi, hráme najnovšiu hru alebo vykonávame pokročilé kryptografické výpočty, všetko sa deje v binárnom systéme, kde sú 0 alebo 1 a nič iné. V skutočnosti je to skôr klasické áno alebo nie.
Aký neefektívny je tento systém, môžeme vidieť, keď dosiahneme jeho limity. A či už sa nám v smartfónoch minie miesto na ďalšiu selfie, alebo sa vedci snažia vytvoriť matematické modely vývoja pandémie, problém je v tom, že núl a jednotiek je príliš veľa a zdrojov na ich uloženie a sily na nie sú k dispozícii.
Qubit tento problém rieši. Táto informácia využíva vlastnosti kvantovej fyziky, ktoré jej umožňujú zostať v takzvanej superpozícii. Qubit môže mať akúkoľvek hodnotu medzi 0 a 1. Má vlastnosti celého spektra a môže mať hodnoty ako 15 percent nula a 85 percent jedna. Teoreticky to umožňuje uložiť oveľa viac informácií alebo urýchliť výpočty. Zároveň však vzniká množstvo problémov, ktoré je ťažké kontrolovať a dokonca pochopiť.
Ďalšou vlastnosťou kvantových počítačov, ktorá umožňuje dodatočné škálovanie výpočtového výkonu, je použitie kvantového zapletenia. Toto je stav, keď sú dva qubity navzájom spojené a vždy, keď jeden z nich pozorujeme, druhý bude v presne rovnakom stave. Zapletenie umožňuje zoskupiť qubity do ešte efektívnejších jednotiek na zaznamenávanie a spracovanie informácií.
Prečítajte si tiež: Kto sú biohackeri a prečo sa dobrovoľne čipujú?
Kvantové vybavenie
Kvantový počítač pozostáva z troch hlavných častí: oblasti na ukladanie qubitov, spôsobu prenosu signálov do qubitov a klasického počítača na spúšťanie programu a posielanie inštrukcií.
Kvantový materiál, ktorý tvorí qubity, je jemný a mimoriadne citlivý na vplyvy prostredia. Pri niektorých metódach ukladania qubitov sa jednotka, v ktorej sú uložené qubity, udržiava pri teplote blízkej absolútnej nule, aby sa maximalizovala ich koherencia. Iné typy ukladania qubitov používajú vákuovú komoru na minimalizáciu vibrácií a stabilizáciu qubitov.
Existujú rôzne spôsoby prenosu signálov do qubitov, ako sú mikrovlny, lasery a elektrické napätie.
Aby bolo možné zaviesť normálnu prevádzku kvantových počítačov, je potrebné vyriešiť veľa problémov. Veľkým problémom kvantových počítačov je oprava chýb a škálovanie (pridávanie ďalších qubitov) ďalej zvyšuje ich frekvenciu. Kvôli týmto obmedzeniam je kvantový osobný počítač na vašom stole stále vzdialená budúcnosť, ale komerčné kvantové počítače môžu byť dostupné v blízkej budúcnosti. Povedzme si o tom podrobnejšie.
Problémy kvantových počítačov
Kvantové počítače však majú jeden obrovský problém. To znamená, že vedci majú s ich využitím obrovský problém, pretože vďaka svojim špeciálnym vlastnostiam potrebujú qubity dostatočne pokojné prostredie, aby z nich dokázali presne prečítať akékoľvek údaje. Každé, aj najmenšie porušenie znemožní presné čítanie informácií.
V prípade klasických počítačov zohral podobný problém v minulosti tiež významnú úlohu, no dnes je natoľko bezvýznamný, že je často prehliadaný aj v akademickej vede. Hovoríme o chybovosti. Je to indikátor, ktorý určuje, aký podiel bitov alebo qubitov informácií môže byť poškodený. To sa môže stať napríklad v čase prepätia alebo iných porúch.
Pri klasických zariadeniach je pravdepodobnosť chyby približne jedna až 1017 trocha V prípade kvantových počítačov je to stále jeden z niekoľkých stoviek. A to v situácii, keď kvantové počítače pracujú v najizolovanejších podmienkach a pri teplote -272 stupňov Celzia, teda mierne nad absolútnou nulou. Akékoľvek kolísanie teploty, zmeny elektromagnetického poľa a dokonca aj pohyb ničia celý výpočet.
Ďalším problémom je „nestabilita“ kvantových stavov. Zakaždým, keď meriame alebo chceme narušiť kvantový stav, vráti sa do jednej z dvoch polôh, nula a jedna. V tomto prípade sa kvantový stav rozpadne. Tento proces sa nazýva kvantová dekoherencia.
Predstavte si to takto: kvantový počítač je skúsený matematik, ktorý vykonáva zložité výpočty a jeho výsledky sú medzi 0 a 1 miliónom. My sme zasa dieťa, ktoré chápe len to, že niečoho môže byť príliš veľa alebo príliš málo. Kedykoľvek by matematik mohol mať odlišné výsledky, ako napríklad 356 670,23 alebo 1 846 662, podľa nášho chápania sveta by sa každý z týchto výsledkov klasifikoval ako málo (0) alebo veľa (1), bez toho, aby sa medzi nimi definoval konkrétny rozdiel. Toto je kvantová dekoherencia. Jediný spôsob, ako urobiť správny výpočet, je zaručiť matematickú prácu pred jej dokončením.
Prečítajte si tiež: Čo urobí vytrvalosť a vynaliezavosť na Marse?
Na čo budeme kvantové počítače využívať?
Dnes vyvstáva otázka, na čo sa dajú použiť kvantové počítače, rovnako ako pred 20 rokmi, na čo sa dá použiť smartfón. Samozrejme, nejaké plány a predpoklady už existujú, no najzaujímavejšie smery využitia qubitov sa zrejme vyjasnia, keď sa kvantové počítače rozšíria.
Kryptografia je jednou z najpopulárnejších oblastí, kde sa kvantové výpočty využívajú najčastejšie. Ide o to, že pôjde o spôsob prenosu informácií veľmi bezpečným spôsobom a bezpečnosť nie je založená na zložitosti výpočtových procesov, ale na zákonoch fyziky, ktoré dajú istotu, že určité veci sú jednoducho nemožné. A v tejto chvíli nebude možné počúvať, špehovať, hackovať.
Bezpečnosť je v tomto prípade zaručená samotnými fyzikálnymi vlastnosťami qubitov, ktoré, ako som už vysvetlil, prestávajú vykazovať superpozičné znaky, akonáhle sú pozorované. Takže akýkoľvek pokus zachytiť alebo dokonca skopírovať zakódovanú správu ju jednoducho zničí.
Kvantové počítače nám tiež môžu umožniť lepšie porozumieť prírodným procesom. „Chaos“ superpozície oveľa lepšie odráža spôsob, akým sú napríklad mutácie v DNA, a teda aj vývoj chorôb a evolúcie. Kvantová výpočtová technika sa už dnes používa na vytváranie nových liekov.
Možno má zmysel hovoriť o použití kvantových počítačov na teleportáciu údajov. Áno, práve teleportácia údajov a možno aj osoby. Budeme môcť teleportovať informácie z miesta na miesto bez toho, aby sme ich fyzicky prenášali. Znie to ako fantázia, ale je to možné, pretože táto tekutosť kvantových častíc sa môže zamotať do času a priestoru, takže zmena jednej častice môže ovplyvniť druhú, a to vytvára kanál pre teleportáciu. To už bolo preukázané v laboratóriách a mohlo by to byť súčasťou kvantového internetu budúcnosti. Takúto sieť zatiaľ nemáme, no niektorí vedci už na týchto možnostiach pracujú, simulujúc kvantovú sieť na kvantovom počítači. Už vyvinuli a implementovali zaujímavé nové protokoly, ako je teleportácia medzi používateľmi siete a efektívny prenos dát a dokonca aj bezpečné hlasovanie.
Treba tiež povedať, že kvantové počítače by sa mali používať na simuláciu rôznych situácií a hľadanie riešení problémov, vrátane liekov a vakcín. Napríklad počas pandémie ako je koronavírus, keď je potrebný rýchlejší výpočet a výpočet možností. Tu môžete využiť možnosť kvantového modelovania, ktoré nie je možné vykonať na klasickom počítači. Keď sa objaví nová choroba, proces nájdenia lieku trvá približne 15 rokov a môže stáť až 2,6 miliardy dolárov. Pri niektorých ochoreniach je potrebné filtrovať cez milióny molekúl, aby sa identifikovali iba stovky nádejných jedincov, ktorí sa pravdepodobne stanú darcami. Potom počas testovania približne 99 % molekúl odpadne, okrem iného kvôli chybnej predpovedi správania a obmedzeniam odberu vzoriek. Tu by sa do popredia dostali kvantové počítače.
A to je stále len niekoľko úžasných myšlienok o tom, čo sa dá dosiahnuť pomocou kvantovej fyziky. V súčasnosti sa nám do istej miery darí skrotiť jej vrtošivý charakter, no všetok vývoj je stále na počiatočnej úrovni. Vytvorenie skutočného kvantového počítača a jeho masové uplatnenie je ešte dosť ďaleko, ale pokrok nestojí na mieste. Preto možno o nejakých desať rokov budete tento článok čítať pomocou kvantového počítača a budete sa blahosklonne usmievať.
Prečítajte si tiež:
Çoch sağ olun, muellimin bize moderné pamäťové zariadenia