nauki ścisłe
Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-12
Komputer inny niż wszystkie

Czy można więcej niż można? Pytanie wygląda na źle sformułowane, lecz w świecie informacji kwantowej nagle nabiera sensu. Kwantowe komputery mogą bowiem liczyć szybciej - i to znacznie szybciej - od swych klasycznych odpowiedników, które stoją na naszych biurkach.


Bez komputerów coraz trudniej wyobrazić sobie współczesną cywilizację. Używamy ich do mailowania i plotkowania, internetowych zakupów, przeprowadzania analiz i symulacji, przetwarzania grafiki oraz do wielu innych zadań. I choć tak wiele im zawdzięczamy, często irytują, zwłaszcza jednym: są zawsze - zawsze! - za wolne. Na szczęście rozwój fizyki i techniki pozwala przypuszczać, że w przyszłości uda się uzyskać znaczący - w niektórych przypadkach tak wielki, że wręcz trudny do wyobrażenia - wzrost szybkości obliczeń. Stanie się to w chwili, gdy architektura komputerów pozwoli przetwarzać informację według reguł mechaniki kwantowej. Co ciekawe, w pewnych przypadkach komputerów tych nie trzeba byłoby nawet budować. Niektóre powstały bowiem miliardy lat przed narodzinami ludzkości i wystarczyłoby, gdybyśmy tylko nauczyli się je obsługiwać. Sprawa nie jest jednak prosta.

Nowe reguły gry

Jak zbudować superszybką maszynę obliczeniową? W przypadku tradycyjnych komputerów trudno dziś o oryginalność, bo technologia narzuca spore ograniczenia. W zasadzie jedynym miejscem na "innowację" jest już tylko zmniejszanie rozmiarów obwodów (czego nie da się robić w nieskończoność), pozwalające zwiększać gęstość elementów logicznych na jednostce powierzchni. Można wprowadzać nowe metody naświetlania, zwiększać liczbę warstw i używać nowych rodzajów półprzewodników, ale cały czas operujemy na tym samym schemacie inżynierskim: z warstw półprzewodników staramy się zbudować jak najwięcej jak najmniejszych bramek logicznych o jak najkrótszym czasie działania, zarządzających strumieniami elektronów. Raczkujące dopiero spintronika czy fotonika doprowadzą zapewne do istotnych zmian w informatyce, ale zasady działania komputerów zbudowanych z wykorzystaniem zdobyczy tych relatywnie młodych dziedzin nauki i techniki pozostaną takie same, jak w dotychczasowych maszynach, z tym że zamiast prądów elektronowych będziemy kontrolować prądy magnetyczne (spinowe, powstające dzięki zmianom orientacji spinów atomów i cząsteczek) lub strumienie fotonów. Zmienią się tylko cegiełki, z których składamy komputery, nie zasady przeprowadzania obliczeń.

W przypadku komputerów kwantowych mamy inną sytuację. Nie bawimy się tu w policjantów zarządzających ruchem miliardów elektronów czy fotonów. Zamiast korzystać ze zjawisk fizyki klasycznej do kontrolowania zachowań ogromnych liczb cząstek elementarnych, zaczynamy operować na najbardziej fundamentalnych cechach naszej rzeczywistości i na wykazujących je pojedynczych obiektach mikroświata, takich jak cząsteczki, atomy, a nawet kompleksy kwarków (np. protony i neutrony) i nośniki oddziaływań (fotony).

Dwa stany naraz

Nieintuicyjne prawa mechaniki kwantowej dopuszczają - a nawet więcej: wymagają - aby obiekty świata kwantowego mogły znajdować się w stanie tzw. superpozycji. Istotę tego zjawiska obrazowo można przedstawić za pomocą zwykłej monety. Jeśli rzucimy ją na stół, spadnie skierowana ku górze albo orłem, albo reszką. Jeśli reszce przyporządkujemy np. wartość logiczną "0", a orłowi - "1", możemy monetę potraktować jako fizyczną realizację klasycznego bitu. Z monetą możemy zrobić jednak coś jeszcze: przy odrobinie umiejętności możemy sprawić, aby wirowała na krawędzi. Taki stan nieco przypomina superpozycję stanów kwantowych: nie da się powiedzieć, czy moneta ma w nim wartość "0" czy "1". Dopiero gdy wirowanie zostanie zaburzone, moneta przewraca się i możemy jej przyporządkować konkretną liczbę. Zauważmy, że stan wirowania monety nie jest trwały i łatwo go zaburzyć. Podobne cechy wykazuje superpozycja kwantowa: układy znajdujące się w tym stanie nietrudno "wytrącić" do stanu klasycznego.

W tym miejscu trzeba podkreślić istotne różnice między przykładem z wirującą monetą a prawdziwą superpozycją kwantową. Gdybyśmy zrobili obracającej się monecie zdjęcia dostatecznie szybkim aparatem, zobaczylibyśmy, że obiekt wciąż ma dwa stany, orła i reszkę, które wcale nie znikły. Natomiast superpozycja nie jest zwykłą mieszaniną stanów pierwotnych. To zupełnie nowy stan, w którym moneta - gdyby podlegała prawom mechaniki kwantowej - naprawdę byłaby jednocześnie i reszką, i orłem, w każdym miejscu i w każdej chwili. Na żadnej fotografii z superkamery nie zobaczylibyśmy ani reszki, ani orła, bo ich po prostu by nie było.

Superpozycja jest tym zjawiskiem kwantowym, które umiejętnie wykorzystane pozwoliłoby zwiększyć wydajność komputerów wielokrotnie. Dlaczego?

Zespół idealny

Kwantowym odpowiednikiem bitu jest kubit, którego nazwa pochodzi od angielskiego wyrażenia quantum bit. Może nim być dowolny obiekt kwantowy, jeśli jakaś jego cecha pozwala na wyróżnienie dwóch stanów, którym możemy przyporządkować wartości "0" lub "1" i które możemy wprowadzić w stan superpozycji. Kubit można więc zbudować, wykorzystując elektron z jego spinem (bo spin elektronu - a konkretniej jego rzut na pewien kierunek - może przyjmować tylko dwie wartości), foton z polaryzacją (poziomą lub pionową), atom ze stanami energetycznymi (wzbudzonymi lub nie) itp. Przed wprowadzeniem w stan superpozycji kubit, tak jak nasza moneta, jest tylko w jednym z dwóch wykluczających się stanów: "0" lub "1". Również po pomiarze (który niszczy superpozycję) ma tylko jedną z tych dwóch wartości. Jednak "w trakcie" obliczeń - w stanie superpozycji - może być w dowolnej kombinacji stanów odpowiadających zerze lub jedynce.

Pojedynczy kubit nie oferuje nam w zasadzie nic nowego, bo przetwarza tylko dwa stany, tyle samo, ile bit klasyczny. Sprawa wygląda inaczej, gdy porównujemy zespoły bitów z zespołami kubitów w superpozycji. W danej chwili zespół n zwykłych bitów może być tylko w jednym z 2n stanów i tylko ten jeden konkretny stan przeliczamy w danym kroku obliczeń. Natomiast zespół n kubitów można wprowadzić w stan, w którym każdy kubit jest w superpozycji ze wszystkimi pozostałymi. Taki zespół możemy potraktować jako pewną całość, która znajduje się w 2n stanów jednocześnie. A to oznacza, że w pojedynczym kroku komputer kwantowy przetwarzałby nie jeden stan, lecz aż 2n stanów! Różnica jest gigantyczna i zwiększa się tym bardziej, im więcej mamy kubitów w superpozycji ze sobą. Recepta na zwiększenie wydajności komputera kwantowego jest więc - przynajmniej teoretycznie - bardzo prosta. Wystarczy dodać do zespołu jeden kubit, aby maszyna stała się dwukrotnie szybsza.

Zwróćmy tu uwagę na pewien fakt, szczególnie ciekawy dziś, w czasach, gdy działy marketingowe producentów elektroniki użytkowej na każdym kroku wmawiają nam, że "cyfrowe" zawsze oznacza "lepsze od analogowego". Otóż wartości liczbowe parametrów, które opisują prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych stanów w stanie superpozycji, są ciągłe, zatem mogą się zmieniać o dowolnie małą wartość (a nie "cyfrowo", czyli skokami). Informacja jest więc zapisana w kubicie w sposób analogowy! Ponieważ komputer kwantowy przetwarza w kolejnych krokach zespoły kubitów w superpozycji, nie jest urządzeniem w pełni cyfrowym - i to właśnie dlatego może być tak wydajny.

Dziś stan superpozycji obserwujemy wyłącznie w świecie kwantów. Na co dzień go nie dostrzegamy: kot (niekoniecznie Schrödingera) musi być albo żywy, albo martwy. Nie ma innej możliwości, nie można go zaobserwować jednocześnie "trochę żywego i trochę martwego". Dlaczego? Rzetelna odpowiedź na to pytanie brzmi: nie wiadomo. Być może istotne są rozmiary układu kwantowego - im są większe, tym z jakichś przyczyn (może wskutek oddziaływania z polem grawitacyjnym?) łatwiej zniszczyć superpozycję. Inne wytłumaczenie mówi, że zdolność układu kwantowego do przebywania w stanie superpozycji - a więc w stanie, w którym fale opisujące obiekty kwantowe interferują ze sobą - w naturalny sposób szybko maleje wraz ze wzrostem liczby tych obiektów. Jeszcze inne sugeruje, że być może stan superpozycji nigdy nie znika, lecz to my (z dość subtelnych powodów) tracimy możliwość jego obserwacji.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 02/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
05/2020
04/2020
Kalendarium
Maj
31
W 1990 r. został wyniesiony na orbitę moduł naukowy Kristall, część radzieckiej stacji Mir
Warto przeczytać
Co by było, gdyby twój poziom inteligencji okazał się wyższy, niż ci się wydaje? Czy w twojej głowie kryje się geniusz, który tylko czeka, żeby się ujawnić? A może chciałbyś zażyć pigułkę, która zwiększy twój potencjał intelektualny?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-12
Komputer inny niż wszystkie

Czy można więcej niż można? Pytanie wygląda na źle sformułowane, lecz w świecie informacji kwantowej nagle nabiera sensu. Kwantowe komputery mogą bowiem liczyć szybciej - i to znacznie szybciej - od swych klasycznych odpowiedników, które stoją na naszych biurkach.


Bez komputerów coraz trudniej wyobrazić sobie współczesną cywilizację. Używamy ich do mailowania i plotkowania, internetowych zakupów, przeprowadzania analiz i symulacji, przetwarzania grafiki oraz do wielu innych zadań. I choć tak wiele im zawdzięczamy, często irytują, zwłaszcza jednym: są zawsze - zawsze! - za wolne. Na szczęście rozwój fizyki i techniki pozwala przypuszczać, że w przyszłości uda się uzyskać znaczący - w niektórych przypadkach tak wielki, że wręcz trudny do wyobrażenia - wzrost szybkości obliczeń. Stanie się to w chwili, gdy architektura komputerów pozwoli przetwarzać informację według reguł mechaniki kwantowej. Co ciekawe, w pewnych przypadkach komputerów tych nie trzeba byłoby nawet budować. Niektóre powstały bowiem miliardy lat przed narodzinami ludzkości i wystarczyłoby, gdybyśmy tylko nauczyli się je obsługiwać. Sprawa nie jest jednak prosta.

Nowe reguły gry

Jak zbudować superszybką maszynę obliczeniową? W przypadku tradycyjnych komputerów trudno dziś o oryginalność, bo technologia narzuca spore ograniczenia. W zasadzie jedynym miejscem na "innowację" jest już tylko zmniejszanie rozmiarów obwodów (czego nie da się robić w nieskończoność), pozwalające zwiększać gęstość elementów logicznych na jednostce powierzchni. Można wprowadzać nowe metody naświetlania, zwiększać liczbę warstw i używać nowych rodzajów półprzewodników, ale cały czas operujemy na tym samym schemacie inżynierskim: z warstw półprzewodników staramy się zbudować jak najwięcej jak najmniejszych bramek logicznych o jak najkrótszym czasie działania, zarządzających strumieniami elektronów. Raczkujące dopiero spintronika czy fotonika doprowadzą zapewne do istotnych zmian w informatyce, ale zasady działania komputerów zbudowanych z wykorzystaniem zdobyczy tych relatywnie młodych dziedzin nauki i techniki pozostaną takie same, jak w dotychczasowych maszynach, z tym że zamiast prądów elektronowych będziemy kontrolować prądy magnetyczne (spinowe, powstające dzięki zmianom orientacji spinów atomów i cząsteczek) lub strumienie fotonów. Zmienią się tylko cegiełki, z których składamy komputery, nie zasady przeprowadzania obliczeń.

W przypadku komputerów kwantowych mamy inną sytuację. Nie bawimy się tu w policjantów zarządzających ruchem miliardów elektronów czy fotonów. Zamiast korzystać ze zjawisk fizyki klasycznej do kontrolowania zachowań ogromnych liczb cząstek elementarnych, zaczynamy operować na najbardziej fundamentalnych cechach naszej rzeczywistości i na wykazujących je pojedynczych obiektach mikroświata, takich jak cząsteczki, atomy, a nawet kompleksy kwarków (np. protony i neutrony) i nośniki oddziaływań (fotony).

Dwa stany naraz

Nieintuicyjne prawa mechaniki kwantowej dopuszczają - a nawet więcej: wymagają - aby obiekty świata kwantowego mogły znajdować się w stanie tzw. superpozycji. Istotę tego zjawiska obrazowo można przedstawić za pomocą zwykłej monety. Jeśli rzucimy ją na stół, spadnie skierowana ku górze albo orłem, albo reszką. Jeśli reszce przyporządkujemy np. wartość logiczną "0", a orłowi - "1", możemy monetę potraktować jako fizyczną realizację klasycznego bitu. Z monetą możemy zrobić jednak coś jeszcze: przy odrobinie umiejętności możemy sprawić, aby wirowała na krawędzi. Taki stan nieco przypomina superpozycję stanów kwantowych: nie da się powiedzieć, czy moneta ma w nim wartość "0" czy "1". Dopiero gdy wirowanie zostanie zaburzone, moneta przewraca się i możemy jej przyporządkować konkretną liczbę. Zauważmy, że stan wirowania monety nie jest trwały i łatwo go zaburzyć. Podobne cechy wykazuje superpozycja kwantowa: układy znajdujące się w tym stanie nietrudno "wytrącić" do stanu klasycznego.

W tym miejscu trzeba podkreślić istotne różnice między przykładem z wirującą monetą a prawdziwą superpozycją kwantową. Gdybyśmy zrobili obracającej się monecie zdjęcia dostatecznie szybkim aparatem, zobaczylibyśmy, że obiekt wciąż ma dwa stany, orła i reszkę, które wcale nie znikły. Natomiast superpozycja nie jest zwykłą mieszaniną stanów pierwotnych. To zupełnie nowy stan, w którym moneta - gdyby podlegała prawom mechaniki kwantowej - naprawdę byłaby jednocześnie i reszką, i orłem, w każdym miejscu i w każdej chwili. Na żadnej fotografii z superkamery nie zobaczylibyśmy ani reszki, ani orła, bo ich po prostu by nie było.

Superpozycja jest tym zjawiskiem kwantowym, które umiejętnie wykorzystane pozwoliłoby zwiększyć wydajność komputerów wielokrotnie. Dlaczego?

Zespół idealny

Kwantowym odpowiednikiem bitu jest kubit, którego nazwa pochodzi od angielskiego wyrażenia quantum bit. Może nim być dowolny obiekt kwantowy, jeśli jakaś jego cecha pozwala na wyróżnienie dwóch stanów, którym możemy przyporządkować wartości "0" lub "1" i które możemy wprowadzić w stan superpozycji. Kubit można więc zbudować, wykorzystując elektron z jego spinem (bo spin elektronu - a konkretniej jego rzut na pewien kierunek - może przyjmować tylko dwie wartości), foton z polaryzacją (poziomą lub pionową), atom ze stanami energetycznymi (wzbudzonymi lub nie) itp. Przed wprowadzeniem w stan superpozycji kubit, tak jak nasza moneta, jest tylko w jednym z dwóch wykluczających się stanów: "0" lub "1". Również po pomiarze (który niszczy superpozycję) ma tylko jedną z tych dwóch wartości. Jednak "w trakcie" obliczeń - w stanie superpozycji - może być w dowolnej kombinacji stanów odpowiadających zerze lub jedynce.

Pojedynczy kubit nie oferuje nam w zasadzie nic nowego, bo przetwarza tylko dwa stany, tyle samo, ile bit klasyczny. Sprawa wygląda inaczej, gdy porównujemy zespoły bitów z zespołami kubitów w superpozycji. W danej chwili zespół n zwykłych bitów może być tylko w jednym z 2n stanów i tylko ten jeden konkretny stan przeliczamy w danym kroku obliczeń. Natomiast zespół n kubitów można wprowadzić w stan, w którym każdy kubit jest w superpozycji ze wszystkimi pozostałymi. Taki zespół możemy potraktować jako pewną całość, która znajduje się w 2n stanów jednocześnie. A to oznacza, że w pojedynczym kroku komputer kwantowy przetwarzałby nie jeden stan, lecz aż 2n stanów! Różnica jest gigantyczna i zwiększa się tym bardziej, im więcej mamy kubitów w superpozycji ze sobą. Recepta na zwiększenie wydajności komputera kwantowego jest więc - przynajmniej teoretycznie - bardzo prosta. Wystarczy dodać do zespołu jeden kubit, aby maszyna stała się dwukrotnie szybsza.

Zwróćmy tu uwagę na pewien fakt, szczególnie ciekawy dziś, w czasach, gdy działy marketingowe producentów elektroniki użytkowej na każdym kroku wmawiają nam, że "cyfrowe" zawsze oznacza "lepsze od analogowego". Otóż wartości liczbowe parametrów, które opisują prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych stanów w stanie superpozycji, są ciągłe, zatem mogą się zmieniać o dowolnie małą wartość (a nie "cyfrowo", czyli skokami). Informacja jest więc zapisana w kubicie w sposób analogowy! Ponieważ komputer kwantowy przetwarza w kolejnych krokach zespoły kubitów w superpozycji, nie jest urządzeniem w pełni cyfrowym - i to właśnie dlatego może być tak wydajny.

Dziś stan superpozycji obserwujemy wyłącznie w świecie kwantów. Na co dzień go nie dostrzegamy: kot (niekoniecznie Schrödingera) musi być albo żywy, albo martwy. Nie ma innej możliwości, nie można go zaobserwować jednocześnie "trochę żywego i trochę martwego". Dlaczego? Rzetelna odpowiedź na to pytanie brzmi: nie wiadomo. Być może istotne są rozmiary układu kwantowego - im są większe, tym z jakichś przyczyn (może wskutek oddziaływania z polem grawitacyjnym?) łatwiej zniszczyć superpozycję. Inne wytłumaczenie mówi, że zdolność układu kwantowego do przebywania w stanie superpozycji - a więc w stanie, w którym fale opisujące obiekty kwantowe interferują ze sobą - w naturalny sposób szybko maleje wraz ze wzrostem liczby tych obiektów. Jeszcze inne sugeruje, że być może stan superpozycji nigdy nie znika, lecz to my (z dość subtelnych powodów) tracimy możliwość jego obserwacji.