Ovo nije futuristički tekst. Ovo je naučno popularni tekst. Više istorija. Futuristički deo biće spomenut na kraju ovog članka.

Kvantni procesor sa C16 arhitekturom — 16*16*8 = 2,048 fizičkih kjubita

Kvantni računari postoje, proizvode se na minimum dva mesta u svetu, D Wave korporaciji pod okriljem Googla i IBM-u. Gde se trenutno koriste, to ostavljamo čitaocima mašti na volju.

Za one koji se po prvi put susreću sa ovom temom, pre nego dotaknemo principe funkcionisanja kvantnih računara i mogućnost njihove namene, u jednoj rečenici malo da  približimo ovu temu ljubiteljima astromonije, tj. posetiocima ovog sajta kroz jednu zanimljivu korelaciju kvantnih računara i univerzuma.

Teorijski, kvantni procesor sa 1k kjubita ima broj stanja reda veličine broju lambda, tj. hipotetičkom broju svih atoma u univerzumu. Makrokosmos u mikrokosmosu. Informacije radi, od pre mesec dana promovisan je kvantni procesor sa neverovatnih 2k kjubita.

Klašičan računar vs kvantni računar

Apstrakno govoreći, klasičan elektronski računar posmatran iz informatičkog ugla karakterišu bitovi. Svi znamo da bit ima dva stanja. Nulu ili jedinicu, koje fizički reprezentuje tranzistor koji se nalazi u zakočenju (nula) ili zasićenju (jedinica). Kalkulacije nad bitovima, omogućila je diverzitet digitalne elektronike koji danas imamo u IT svetu.

Šta je to kjubit

Dok klasični računar reprezentuju bitovi, kvante reprezentuju kjubiti. Kjubit osim nule i jedinice ima i jedno dodatno stanje. Naime, kjubit može da se u isto vreme nalazi u oba stanja. Zvuči malo uvrnuto, ali „paradoks Šredingerove mačke“ preslikan je na kjubit. Pre nego objasnimo konstrukciju kjubita, spomenimo neke od kvantnih procesa ili takozvanih kvantnih funkcija koji su osnova kvantne mehanike. Interesantno je napomenuti da su se algoriti za kvantu kalkulaciju kao teorijski modeli pojavili mnogo pre kvantnih računara.

Kvantno po funkciji, a ne po strukturi

Ono što na prvi pogled percepira većina ljudi koji se ne bave kvantnom mehanikom je pretpostavka da je dimenzija jednog tranzistora ili u ovom slučaju kjubita svedena na kvant, tj. atom. Međutim, ne radi se kvantnim sistemima po strukturi, nego po funkciji, a funkcije ili procesi koji su karakteristički isljučivo za kvante sisteme su:

1. Diskretnost energije, utvrđeno je odavno da elektron koji kruži oko atoma ima tačno određenu, tj. diskretnu vrednost energije. Kada se ekscituje, tj. kada ga pogodi  foton, on pređe na novi, viši energetski nivo sa novom diskretnom vrednošću. Paradoks je u tome, što  jedno kratko vreme postoji na oba nivoa.
2. Superpozicija, putanja elektrona nije predvidiva, tj. on se nalazi sa određenom verovatnoćom na više mesta. Iako je čestica, ponaša se kao talas, te ovaj fenomem omogućava paralelizam u obradi podataka.
3. Kvantna spletenost, možda najbizarniji fenomen, omogućava neku vrsti teleportacije. Naime, ako su dve čestice kvantno spletene, i jednoj promenite parametre (na primer spin), i na drugoj se spin trenutno menja. U osnovi ovog fenomena je stabilnost materije, a najnovija nobelova nagrada u fizici dodeljena je za ovu oblast i eksperiment u kome su dve kvantno spletene čestice udaljene na nekoliko kilometara.

4. Tunelovanje, prošlo je više od 120 godina kada se u eksperimentima Radeforda utvrdilo da elektroni iako nemaju dovoljno energije mogu savladavati potencijalnu barijeru. Kao da lopta spontano iskače iz bunara. Ni danas se ne zna usled čega se ovo dešava, odakle elekron pozajmljuje energiju, prosto konstatuje se, i već više decenija primenjuje u klasičnoj elektronici (tunel dioda na primer.)

Radi uprošćenja i visoke neintuitivnosti kvante mehanike gore opisane funkcije su samo okvirno dotaknute na primeru elektrona. Ali!

Da li su kvantni računari stvarno kvantni

Pitanje koje je mučilo kvante mehaničare moglo se aproksimirati krilaticom, da li makroskopski sistem može da ima kvanta svojstva, tj. da li se na nekom makroskopskom sistemu mogu manifestovati gore pomenute funkcije. Kada su eksperimentalno pre nekoliko godina odgovorili sa da, odškrinuli su vrata za razvoj kvantnih računara.

Primer tehničke realizacije kjubita

Postoje više varijanti realizacije makroskopskih kjubita, a primer sa magnetnim dipolom je trenutno najzastupljeniji. Cela priča se odvija u izolovanim kućištima, na finom vakuumu i temperaturi čak 4 mK, koja je znatno niže od temperature potrebne za superprovodni efekat. Razlog za ovako nisku temperaturu je da minimizacija svakog kretanja atoma na površini čipa. A posebnim uređajima se za oko 50.000 puta umanjuje uticaj magnetnog polja zemlje, tj. da bi okolina i nepoželjni šum bio eliminisan.

Onda se kroz dipol indukuje struja usled magnetnog fluksa Fi1. Ako se struja kreće u smeru kazaljke na satu, onda ona generiše magnetni momenat naviše, a ako se kreće u smeru suprotnom od kazaljke na satu  magnetni momenat naniže. I to se lako upravlja. Novo je što u određenom vremenskom intervalu, preko Džezenfonovog spoja napajate dipol poprečnim fluksom Fi2, struja u isto vreme može da teče i u jednom i u drugom smeru, te magnetni momenat postoji u oba stanja. Takođe ovaj spin može da tuneluje iz jednog u drugo stanje. Ređajući ovako dipole u niz, a kasnije i 3d matrice, kjubiti mogu da međusobno interaguju i izvode kvantne kalkulacije.

Kvantna informatika i kvantni algoritmi

Ova oblast je trenutno za širu javnost potpuno mistična. Kako matematički problem aproksimirati kvantnim procesima u okviru kvantnog algoritma. Potom kako taj algoritam transponovati na kvantni procesor i kako očitati rešenje nakon kvantne kalkulacije. Ali ako vam je objektno orjentisano programiranje bilo problem, od ovoga će tek boleti glava. U svakom slučaju ovo će biti sledeći IT izazov nove generacije softverskih inženjera.

Naravno klasično matematički nerešiv problem biće nerešiv i za kvantni računar. Problem koji je uslovno rešiv za klasični, tj. za rešenje treba godine, zbog paralelizma usled obrade, biće praktično trenutno rešiv za kvanti.  

Ova činjenica će dovesti do ogromne primene ovih računara kod:

- Problem dekriptografije, za probijanje bilo koje kriptovane šifre kojeg god korisnika Astronomija foruma, super računaru trebale bi godine rada uz proizvodnju struje celog Đerdapa od bar nekoliko dana, a kvantnom zbog paralelizma u obradi sekunda.

- Pretraživanje generalno, za selektiranje tražene informacije iz n podataka, klasičnom računatu treba u proseku n/2 pokušaja, a kvantnom koren iz n. Dakle eksponencijalno ubrazanje pretrage zbog koje su ljudi iz Google, tj. oni koji imaju para, nesebično odrešili investicije.

- Problem optimizacije, ako bi imali sledeći zadatak. Kojim redosledom obići sve gradove i sela u Srbiji da bi prešli minimalni put, klasičnom računaru bi opet trebale godine, a kvantni bi to savladao očas posla.

I za kraj malo enigme.

Znamo da su većina naučnih izuma obično usavršavanje već viđenih rešenja u prirodi. Tako na primer, avion je neka vrsta ptice prevoznika, princim raketnog pogona je već viđen kod nekih riba i tako dalje, primera ima na hiljade. Šta mislite da li u prirodi postoje „prirodni kvantni računari“ i to na sobnoj temperaturi? Odgovor je najverovatnije da, a kvantna biologija, potpuno nova disciplina biologije, praktično je dokazala da komunikacija između citoskeleta svake ćelija ima kvantu po funkciji interakciju. Matematičkim formalizmom na nivou celog višećelijskog organizma ova makroskopska kvanta tvorevina se može opisati kvantnom Hopfildovom neuronskom mrežom. Postavlja se pitanje da li ovaj informacioni sistem može da komunicira sa nervnim sistemom čoveka? Zapadna medicina opipava ovaj informacioni sistem u mraku, ali govoreći jezikom naroda, ako pogledate koju god fresku u pravoslavnoj tradiciji, videćete oreol iznad glava sveca ;).

Tekst napisao Milan Todorović. Vlasnik je agencije za SEO optimizaciju SeoExpert.rs, a ponosi se svojim turističkim portalom TT Group. Ako želite da se družimo, na twiteru izuzetno aktivan kao @Todorovic.