Komputery przyszłości - działają w wielu rzeczywistościach na raz i już istnieją

Zapewne już niedługo dzisiejsze komputery osiągną granice obliczeniowych możliwości. Już teraz rozwój sprzętu sprowadza się praktycznie do umieszczania jak największej liczby układów elektronicznych na jak najmniejszej powierzchni. Firmy Intel i AMD - dwaj procesorowi giganci prześcigają się w tworzeniu układów o coraz większej liczbie rdzeni, ale w pewnym momencie osiągniemy granice technologicznych możliwości. Powstaje więc pytanie co dalej z komputerami? Czy czeka nas zastój technologiczny?

Odpowiedź na powyższe pytania znamy już od jakiegoś czasu, a są nią komputery kwantowe. Nawet w momencie, gdy piszę ten artykuł trwają prace badawcze nad maszynami następnej generacji, które będą wykorzystywać zasady mechaniki kwantowej. Może trudno w to uwierzyć, ale komputery następnej generacji będą wykonywać obliczenia z szybkością tak wielką, że aż trudną do wyobrażenia. Co ciekawe, komputery kwantowe już istnieją, a właściwie niektóre istniały już miliardy lat przed narodzinami ludzkości - po prostu nie umiemy ich jeszcze używać.

Jak uzyskać gigantyczne przyspieszenie obliczeń? Dzisiejsze komputery składają się z ogromnej ilości bramek logicznych umieszczonych na jak najmniejszej powierzchni, które niejako zarządzają ruchem strumieni elektronów - przepływającym przez nie prądem. Odpowiednio kierując tymi strumieniami wykonywane są obliczenia oparte o system binarny (zero - jedynkowy, gdzie w uproszczeniu możemy powiedzieć, że zeru odpowiada przepływ prądu przez daną bramkę logiczną, a jedynce brak tego przepływu). W przypadku mechaniki kwantowej odchodzimy od sterowania dużymi grupami cząstek na rzecz wykonywania operacji na pojedynczych mikroobiektach, takich jak cząsteczki, atomy, protony, neutrony lub fotony.

No dobrze, nie tłumaczy to jednak sposobu w jaki uzyskujemy wspomniane przeze mnie na początku przyspieszenie obliczeń. Aby to wytłumaczyć, należy najpierw wspomnieć, że prawa mechaniki kwantowej wymagają, aby w trakcie obliczeń obiekty znajdowały się w stanie tak zwanej superpozycji. Czym jest superpozycja? Spróbuję wytłumaczyć ją obrazowo na przykładzie monety. Jeśli rzucimy monetą, to otrzymamy w wyniku orła albo reszkę. Takie działanie możemy przyjąć za reprezentację obecnie wykonywanych obliczeń binarnych, gdzie orzeł odpowiada logicznej jedynce, a reszka - zeru. Możemy jednak wyobrazić sobie sytuację, w której zakręcimy monetą w ten sposób, że będzie ona wirować na swojej krawędzi. Taki stan nazwalibyśmy stanem superpozycji. Jest to zupełnie nowy stan i jeśli nasza moneta podlegałaby prawom mechaniki kwantowej, to jej stan byłby jednocześnie i orłem i reszką. Dopiero, gdy moneta upadłaby na stole moglibyśmy stwierdzić jaka wartość wypadła. Odpowiedniki klasycznych bitów nazywamy kubitami. Zgodnie z
powyższym, kubitem może być każdy obiekt, w którym możemy wyróżnić dwa stany - odpowiadające 0 i 1. które dodatkowo możemy wprowadzić w stan superpozycji. Przykładem kubitu może być foton z polaryzacją (poziomą lub pionową) albo atom ze stanami energetycznymi. Jak więc kubity przyspieszają wykonywanie obliczeń? Otóż, mając kilka kubitów, w trakcie wykonywania obliczeń każdy z nich znajduje się w stanie superpozycji, dzięki czemu w jednej chwili czasu nie jest wykonywane tylko pojedyncze działanie, ale wszystkie możliwe kombinacje działań na raz. Następnie należy dokonać pomiaru, który spowoduje wybicie kubitów ze stanu superpozycji, a otrzymana w ten sposób kombinacja zer i jedynek stanowić będzie wynik obliczeń. Ujmując problem trochę bardziej "matematycznie”, zespół n klasycznych bitów w danej chwili czasu może być tylko w jednym z 2 do potęgi n-tej stanów i w jednym kroku obliczeń przeliczany jest tylko jeden z tych stanów. Tymczasem zespół n kubitów wprowadzonych w stan superpozycji w jednym kroku nie
przetwarza tylko jednego stanu, ale wszystkie dwa do potęgi n-tej stanów na raz! Warto zauważyć, że dodanie jednego kubitu do zespołu zwiększa prędkość wykonywania obliczeń dwukrotnie.

Zagadnienia mechaniki kwantowej, a w szczególności zjawisko superpozycji jest nam ciężko zrozumieć ponieważ nigdzie w otaczającym nas świecie poza światem kwantów ono nie występuje. Każdy przedmiot lub organizm w świecie, który obserwujemy może być tylko w dwóch stanach: albo jest albo go nie ma - nie może jednocześnie istnieć i nie istnieć, podobnie jak człowiek nie może być jednocześnie żywy i martwy. Nie znamy odpowiedzi na pytanie czemu tak jest. Wiemy natomiast, że stan superpozycji jest bardzo łatwo zniszczyć, w związku z czym jedna z teorii mówi, że widzimy świat „binarnie”. właśnie dlatego, że otaczająca nas rzeczywistość jest nieustannie wybijana z superpozycji. Inna bardzo ciekawa teoria mówi, że każde zdarzenie kwantowe powoduje rozszczepienie rzeczywistości na dwie alternatywne: taką w której zdarzenie zaszło, i taką w której nie zaszło. Ta hipoteza tłumaczy co się dzieje podczas pomiarów kwantowych. Mianowicie według teorii wielu światów podczas obliczeń wykonywanych w stanie superpozycji w
danej chwili przetwarzane są wszystkie stany na raz, ale każdy w innej rzeczywistości.

Z utratą superpozycji wiążą się właśnie problemy, które blokują rozwój komputerów kwantowych. Obecnie naukowcy starają się utrzymać stan superpozycji poprzez zamykanie obiektów, takich jak np. jony wapnia w pułapkach magnetycznych, kontrolowanych za pomocą laserów. Problem w tym, że użycie lasera często powoduje utratę stanu superpozycji przez kubity przed zakończeniem obliczeń. Obecne komputery kwantowe uzyskują poprawny wynik jedynie w 75. przypadków, a to zdecydowanie za mało. Naukowcy mówią, że za zadowalający mogą uznać poziom skuteczności rzędu 95%.

Pierwszy komputer kwantowy udało się stworzyć w 199. roku. Składał się on zaledwie z dwóch kubitów i pozwalał na wybranie wskazanego elementu ze zbioru czteroelementowego. Jego opracowanie kosztowało milion dolarów. W 2004 roku austriackim uczonym udało się skonstruować komputer o pojemności 8 kubitów, które zamknęli w magnetycznej pułapce i programowali za pomocą lasera. Zaledwie dwa lata po tym wynalazku inna grupa badaczy zaprezentowała komputer kwantowy wykonujący obliczenia na 12 kubitach. Najnowszym osiągnięciem w tej dziedzinie jest zaprezentowany w 2007 roku przez firmę D-Wave Systems komputer kwantowy Orion zbudowany z aż 16 kubitów. Firma pokazała między innymi jak stworzony przez nich komputer radzi sobie z rozwiązywaniem sudoku. Jednakże aż do dziś dnia nie ujawniono planów konstrukcyjnych Oriona, w związku z czym naukowcy poddają w wątpliwość fakt czy maszyna D-Wave Systems rzeczywiście jest komputerem kwantowym.

Aby komputery kwantowe mogły wykonywać obliczenia z prędkością zbliżoną do dzisiejszych klasycznych maszyn, musiałyby być złożone z kilkuset kubitów. Obecnie ten poziom jest nieosiągalny ponieważ z każdym dodawanym kubitem rośnie prawdopodobieństwo utraty stanu superpozycji - wystarczy, że superpozycja jednego kubitu z zespołu zostanie zaburzona, aby wynik całych obliczeń był błędny. Naukowcy prognozują, że pierwsze prawdziwie wydajne komputery kwantowe powstaną za kilkadziesiąt lat, a co bardziej sceptyczni badacze wręcz nie chcą podawać nawet szacunkowej daty. Możemy mieć jednak nadzieję, że przy obecnym tempie rozwoju nauki uda się znaleźć sposób na stabilne utrzymanie superpozycji wielkiej liczby kubitów.

Źródło: WP - Grzegorz Barnik / Wiedza i Życie