Kvantinis kompiuteris

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.

kvantinis registras
kvantinis registras

Kvantinis kompiuteris (ang. – quantum computer) – tai bet koks įrenginys, galintis atlikti kvantinius skaičiavimus, kuriam būdingos tokios kvantinės mechanikos ypatybės kaip superpozicija ir paralelizmas. Klasikiniuose kompiuteriuose informacija matuojama bitais, o kvantiniuose kompiuteriuose kubitais. Manoma, kad sukūrus kvantinį kompiuterį su pakankamai daug kubitų (>~1000) taptų įmanoma išspręsti daug įvairių sudėtingų uždavinių, kurių per milijonus metų neišspręstų tiek sujungtų tarpusavyje klasikinių superkompiuterių, kiek yra atomų Visatoje. Kol dar nesukūrtas didelis (su ~1000 kubitų) kvanitnis kompiuteris, nieks dar negali pasakyti ar iš tikrųjų kvantinis kompiuteris bus toks greitas ir efektingas, kaip numato teorija. Bet kokiu atveju kvantiniai kompiuteriai, pavyzdžiui, veikiantys superlaidininkų pagrindu gali pasiekti didesnio greičio (dažnio) ir sunaudoja mažiau (apie 1000 kartų) energijos ir todėl gali būti klasikinių kompiuterių evoliucijos tęsinys (pavyzdžiui, naudojami kaip pigesni superkompiuterių analogai [1] [2].

Turinys

[taisyti] Kvantinio kompiuterio pranašumai prieš klasikinius

Kad klasikinį kompiuterį padaryt greitesnį yra du budai: padidinti dažnį arba pridėti daugiau apdirbimo konvejerių. Klasikinio kompiuteriui (jo procesoriui) daugiau bitų reikia tik sudetingesnių instrukcijų aprašymui, bet ne spartai. Tuo tarpu kvantinio kompiuterio sparta, visiškai priklauso nuo kubitų skaičiaus L. Didėjant L, sparta didėja eksponentiškai: 2L. Pavyzdžiui, jeigu L=300, tai 2300=~2*1090 kombinacijų, o tai daugiau būsenų (padėčių kvantiniame registre) nei atomų Visatoje (mūsų Žemės planeta yra sudaryta iš apie 1050 atomų). Tuo tarpu klasikinio kompiuterio registre, jei L=300 bitų, bus vienu metu tik 1 būsena (iš galimų ~2*1090) ir kad perrinkti visas įmanomas būsenas klasikiniam kompiuteriui reikės 2*1090 taktų. Net dirbant vieno petaherco (1015) dažniu, klasikiniam kompiuteriui prireiktų 2*1090/(60*60*24*360*1015)=~6*1067 metų (nors šiuolaikiniai procesoriai turi daug lygiagrečių apdirbimo konvejerių, tai vistiek nieko nekeičia, išskyrus tai, kad metų sumažės iki apytiksliai 1060 ir superkompiuteriui iki 1055 metų). O jei kvantinis kompiuteris yra iš L=1000 kubitų, tai kvantiniame registre vienu metu bus 21000=~10301 skirtingų būsenų, o tai reiškia, kad tam tikrose užduotyse kvantinis kompiuteris bus apytiksliai 10301/(106(tranzistorių)*105(procesorių))=10290 kartų greitesnis už pasaulyje greičiausią superkompiuterį.

Modeliuojant turizmo, verslo ar kvantines užduotis net šiuolaikiniai superkompiuteriai gali duoti tik apytikslų rezultatą. Gali pasirodyt taip, kad kvantinio kompiuterio duodamas apytikslis (tikimybinis) rezultatas nieko nesiskirs nuo įprastų kompiuterių (rezultato) ir išdavoje kvantinis kompiuteris neturės jokių „kvantinių“ pranašumų, t. y. gali pasirodyt, kad kvantinis skaičiavimo principas niekuom nepranašesnis už klasikinių kompiuterių skaičiavimo principą. Tuomet Tiuringas būtų teisus, kad visos skaičiavimo mašinos yra lygios ir ekvivalenčios vienos kitoms ir kad yra neišsprendžiamos užduotis kurios niekada nebus išsprendžiamos.

[taisyti] Kubitai

Kvantinio kompiuterio galia slypi tame, kad 1 kubitas gali turėti dvi bazines reikšmes |1> ir |0> arba superpoziciją tų reikšmių, t. y. tarpinę reikšmę. Be to, visi kubitai sąveikauja tarpusavyje, pavyzdžiui, klasikinis 3 bitų kompiuteris gali turėti tik vieną iš 8 (000 001 010 011 100 101 110 111) galimų reikšmių, tuo tarpu kvantiniame kompiuteryje visos 8 reikšmės bus superpozicijoje su tam tikra tikimybe kiekvienai reikšmei.

Pavyzdžiui:
Turime vieną kubitą superpozicijos būsenoje \frac45\,|0\rangle+\frac35\,|1\rangle
Šiuo atveju, tikimybė išmatuoti
0 lygi (4/5)2=16/25 = 64 % ,
1 (3/5)2=9/25 = 36 %.

a|0\rangle+b|1\rangle, a2 + b2 = 1. Analogiška Pitagoro teoremai c = \sqrt {  a^2+b^2 } = \sqrt {  8^2+6^2 } =  \sqrt{64+36}=10. Pitagoro teorema yra unikali tuom, kad tinka surasti ižambinę ne tik dvimatėje (2D) erdvėje, bet ir trimatėje (3D) erdvėje (figurų, kurių visi kampai yra statūs: tokių kaip kubo ir stačiakampio gretasienio: d=\sqrt{a^2+b^2+c^2}, kur d stačiakampio gretasienio tiesės ilgis tarp dviejų toliausiai viens nuo kito nutolusių stačiakampio gretasienio taškų) bei n-matėje erdvėje (visi kampai turi būti statūs).


3 kubitų superpozicija a\,|000\rangle + b\,|001\rangle + c\,|010\rangle + d\,|011\rangle + e\,|100\rangle + f\,|101\rangle + g\,|110\rangle + h\,|111\rangle

Jei a>b>c>d>e>f>g>h, tai a+h=b+g=c+f=e+d. n=a2 + b2 + c2 + d2 + e2 + f2 + g2 + h2 = 1, kur n yra istrižainė 8-matės figuros (aštuonmatėje erdvėje).

Pavyzdžiui:

3 kubitai yra būsenoje

(2,166/4,4)|000>+(1,966/4,4)|001>+(1,766/4,4)|010>+(1,566/4,4)|011>+(1,434/4,4)|100>+(1,234/4,4)|101>+(1,034/4,4)|110>+(0,834/4,4)|111>
tada (2,166/4,4)2+(1,966/4,4)2+(1,766/4,4)2+(1,566/4,4)2+(1,434/4,4)2+(1,234/4,4)2+(1,034/4,4)2+(0,834/4,4)2 = 1

Pakeltas kvadratu koeficientas rodo tam tikros reikšmės gavimo tikimybę, pvz: a2=(2,166/4,4)2=0,24=24 %, tai reiškia, kad 000 gavimo tikimybė sudaro 24%. Bendru atveju, sistema iš L kubitų turi 2L klasikinių būsenų (00000, 00001, … , 11111) iš kurių kiekviena gali būti išmatuota su tikimybe 0-100%.

[taisyti] Sunkumai kuriant kvantinį kompiuterį

Kvantinį kompiuterį sukurti sunku, nes reikia, kad kubitai būtų izoliuoti nuo aplinkos, bet būtinai sąveikautų vienas su kitu, kitaip nebus paralelizmo ir kvantinis kompiuteris nebus galingesnis už kalkuliatorių. Didinant kubitų skaičių kvantiniame kompiuteryje dekoherencijos reiškinys stiprėja t. y., didėja skaičiavimo netikslumai. Susidomėjimas kvantiniais kompiuteriais stipriai užaugo, kai 1994 m. mokslininkas P. Šoras iš AT&T sukūrė faktorizavimo (skaičiaus išskaidymas į daugiklius) algoritmą kvantiniams kompiuteriams. Faktorizavimas yra taikomas RSA kodose, kurie naudojami visose apsaugos sistemose ir kurių klasikinis kompiuteris negali nulaužti per trumpą laiką, tačiau Šoro algoritmą naudojantis kvantinis kompiuteris tai padarytų per sekundę. 1995 m. Šoras sukūrė kvantinių būsenų kodavimo algoritmą ir klaidų (kurios atsiranda dėl išorinių trikdžių, kuriems kvantinis kompiuteris yra labai jautrus) korekciją jose. 1996 m. L. Groveris iš Lucent Technologies pasiūlė kvantinį greitos paieškos nesutvarkytoje duomenų bazėje algoritmą.

Vienos užduotys kvantiniu kompiuteriu būtų sprendžiamos žymiai greičiau, kitos – lėčiau arba gali būti tik emuliuojamos, bet, mokslininkų nuomone, tai tik laiko klausimas, kada bus sukurti visi algoritmai kvantiniam kompiuteriui, su kuriais kvantinis kompiuteris visose srityse taptų spartesnis už klasikinį kompiuterį.

[taisyti] Kvantinių kompiuterių pritaikymas

Nors pilnavertis (~1000 kubitų) kvantinis kompiuteris dar nesukurtas, tačiau jau svarstoma apie dirbtinį intelektą, kurio sukūrimui kvantinio kompiuterio pajėgumo turėtų užtekti (jei KK turės tokia galią kaip numato teorija), nes kvantinis kompiuteris su ~1000 kubitų būtų daug eilių galingesnis už žmogaus smegenis. Taip pat jis galėtų būti pritaikytas modeliuoti kvantinius procesus su daug kintamųjų, nes su dabartiniais superkompiuteriais tai galima daryti tik labai apytiksliai dėl superkompiuterių pajėgumo trūkumo, nes tokio tipo užduotyse nuosekliai didėjant kintamųjų skaičiui, kompiuterio spartos reikalavimai auga eksponentiškai. KK gali būti taikomas daugelyje optimizavimo užduotyse, vaistų atradime, DNR kodo apdorojime ir kitose sudetingose skaičiavimuose reikalaujančiuose eksponentiškos KK galios, kurios neturi klasikiniai kompiuteriai.

[taisyti] Kvantiniai algoritmai

Šoro (faktorizavimo) algortimas
Groverio algoritmas
Kvantinė klaidų korekcija
Doičo - Džozo algoritmas

[taisyti] Jau sukurti kvantiniai kompiuteriai

1998 m. tyrėjai iš IBM sukūrė pirmą 2 kubitų kvantinį kompiuterį.
1999 m. IBM sukūrė 3 kubitų KK.
2000 m. IBM sukūrė 5 kubitų KK.
2001 m. kompanija IBM sukūrė 7 kubitų veikiantį kvantinį kompiuterį (KK), naudojantį branduolinį magnetinį rezonansą (BMR). BMR pagrindu veikiantys KK yra neperspektyvūs, nes >10 kubitų turintis BMR pagrindu veikiantis KK yra nesuvaldomas.
2007 vasario 13 d. kompanija D-Wave pristatė superlaidininkų pagrindu veikiantį 16 kubitų adiabatinį kvantinį kompiuterį Orion, kuriam kvantinį procesorių pagal užsakymą pagamino NASA.

[taisyti] Nuorodos

  1. "Superkompiuteriai ant superlaidininkų." (tekstas) Straipsnis. Superconductor Week: 2004.
  2. "Superkompiuteriai ant superlaidininkų." (tekstas) Straipsnis. National Institute of Standards and Technology (NIST): 2005.
Pokalbis su kvantinių skaičiavimų tėvu, David Deutsch
D-wave tinklapis