Informatyka kwantowa

Mechanika kwantowa otwiera przed informatyką wyjątkowe możliwości. W tym świecie osiągi najlepszego klasycznego superkomputera wyglądają wręcz żałośnie.

Mechanika kwantowa otwiera przed informatyką wyjątkowe możliwości. W tym świecie osiągi najlepszego klasycznego superkomputera wyglądają wręcz żałośnie.

Sukces komputerów osobistych sprawił, że powszechnie przyjęło się wyobrażenie komputera jako urządzenia nieodmiennie składającego się z kilku podstawowych modułów. Tak popularna architektura otwarta przyzwyczaiła nas do jednego schematu: procesor, moduł pamięci, płyta główna, karta graficzna i dźwiękowa, napędy dyskowe, klawiatura, mysz, monitor; całość uzupełnia hałaśliwy zasilacz. W rezultacie myśląc o nowym komputerze, wręcz podświadomie oczekujemy tego samego zestawu elementów, tyle że wydajniejszych. Kolejny procesor ma mieć więcej tranzystorów, taktowanie z wyższą częstotliwością oraz masywniejszy radiator lub głośniejszy wentylator - wszystko po to, aby uzyskać przyspieszenie działania w najlepszym razie o kilkadziesiąt procent. Zgodnie z prawem Moore'a możemy się spodziewać, że w 2020 roku na naszych biurkach będą stały komputery z procesorami taktowanymi z częstotliwością rzędu 40 GHz i pamięcią operacyjną liczoną w setkach gigabajtów. Imponujące? Zapewne, ale tylko dlatego, że nie jesteśmy jeszcze przy końcu tego artykułu.

Świat schematów

Przyzwyczajeni do elektroniki nie zdajemy sobie sprawy, że nasze wyobrażenia o kształcie i zasadach działania komputerów nie są pochodną ograniczeń wynikających z praw fizycznych rzeczywistego świata, a jedynie fizyki wykorzystywanej w obecnej technologii. Współczesne komputery nie różnią się w istocie od ważących kilkadziesiąt ton potworków budowanych z tysięcy lamp elektronowych w latach 40. ubiegłego wieku. Komputer wcale nie potrzebuje elektroniki, aby działać. Co więcej, na dobrą sprawę nie potrzebuje nawet tradycyjnego zasilania - wystarczy, że jest.

Szacuje się, że wzrost wydajności klasycznych komputerów wynikający z miniaturyzacji napotka w ciągu kilkunastu lat bariery fizyczne nieprzekraczalne w dotychczasowej technologii. Nie da się zrobić ścieżek cieńszych od rozmiarów atomu, poza tym im bliżej rozmiarów atomowych, tym większa rola mechaniki kwantowej, narzucającej zupełnie inne reguły gry. "W 2000 roku ludzie będą się zastanawiali, dlaczego przed rokiem 1960 nikt nie rozpoczął poważnych prac w tym kierunku" - tak brzmiały jedne z pierwszych słów wypowiedzianych przez znakomitego fizyka Richarda Feynmana w wykładzie "There's Plenty of Room at the Bottom" (Na dole jest wiele miejsca), wygłoszonym pod koniec 1959 roku. Słowa te, jak i sam wykład, dotyczyły pierwszych sugestii możliwości wykorzystania praw mechaniki kwantowej w informatyce. Optymizm Feynmana był nieco na wyrost: on sam mógł zaproponować metody wykorzystywania układów kwantowych do wykonywania obliczeń dopiero w 1982 roku. Od teorii do praktyki było jeszcze dalej. Życie pokazało, że nie tylko w roku 2000, ale i w 2005 nadal dominują technologie komputerowe oparte na fizyce klasycznej, a komputery kwantowe to nadal pieśń przyszłości. Można z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, że także przez kilkanaście najbliższych lat sytuacja się nie zmieni w istotny ilościowo sposób. Ale później? Klasyczna elektronika nie pozostawia nam wyboru, docieramy do granic jej stosowalności. Przyszłość z pewnością należy do informatyki, w której pierwsze skrzypce będzie grała mechanika kwantowa. To zaś oznacza, że trzeba odrzucić nawyki charakterystyczne dla klasycznej fizyki i zagłębić się w świat, gdzie nasza intuicja nie jest warta funta kłaków.

Rozstanie z intuicją

Interferencja zachodzi nawet wówczas, gdy w kierunku szczelin podąża tylko jeden foton lub elektron. Cząstka elementarna przechodzi więc przez obie szczeliny jednocześnie. Powodem jest między innymi to, że przed dokonaniem pomiaru układ kwantowy stanowi mieszaninę wszystkich możliwych stanów.

Interferencja zachodzi nawet wówczas, gdy w kierunku szczelin podąża tylko jeden foton lub elektron. Cząstka elementarna przechodzi więc przez obie szczeliny jednocześnie. Powodem jest między innymi to, że przed dokonaniem pomiaru układ kwantowy stanowi mieszaninę wszystkich możliwych stanów.

Mechanika kwantowa nauczyła fizyków, że nasze codzienne postrzeganie świata niewiele ma wspólnego z prawami Natury. Jedną z pierwszych sugestii co do istoty zjawisk kwantowych była interferencja. Wiązka światła skierowana na dwie wąskie szczeliny produkuje na ekranie za szczeliną specyficzny obraz: naprzemienne jasne i ciemne prążki, efekt wzajemnego wzmacniania i wygaszania przechodzących przez szczeliny fal. Problem pojawił się, gdy zrozumiano, że obraz interferencyjny nie znika nawet wówczas, gdy w kierunku szczelin wystrzeliwany jest pojedynczy foton. Rzeczywistość kwantowa ujawniła swoją prawdopodobnie najbardziej zdumiewającą cechę: alokalność. Jeden obiekt fizyczny rzeczywiście przechodzi przez dwie szczeliny jednocześnie. Sprawa może nie wydawać się aż tak dziwna w wypadku fotonów (w końcu wielu z nas nieco mylnie wyobraża je sobie jako fale), ale interferencję wykazują także pojedyncze elektrony! Jeśli będziemy wystrzeliwali je w kierunku szczelin pojedynczo, po pewnym czasie ze zdziwieniem zauważymy, że na ekranie nadal pojawia się obraz interferencyjny. Elektron także potrafi być w wielu miejscach naraz, jest również alokalny.

Niezwykłe zachowanie cząstek elementarnych formalizm mechaniki kwantowej wyjaśnia m.in. za pomocą tak zwanej superpozycji stanów. Przyjmuje się, że przed dokonaniem pomiaru układ może znajdować się w każdym ze stanów jednocześnie. Jest czymś w rodzaju swoistej mieszanki możliwości. Funkcję opisującą taki układ, tak zwaną funkcję falową, można w pewnym uproszczeniu porównać do rozciągającej się na całą przestrzeń funkcji opisującej, jakie jest prawdopodobieństwo znalezienia obiektu w danym stanie w danym punkcie przestrzeni. Interferencja da się w takim ujęciu wyjaśnić względnie prosto: tym, co interferuje po przejściu przez szczeliny, są fale prawdopodobieństwa. W chwili dokonania pomiaru dochodzi jednak do rzeczy niebywałej: funkcja falowa, dotychczas wypełniająca całą przestrzeń, redukuje się do jednego punktu, w którym wartość prawdopodobieństwa wynosi 100 procent (bo tu znaleźliśmy cząstkę), podczas gdy wszędzie indziej prawdopodobieństwo natychmiast spada do 0 procent (gdyż poza punktem pomiaru cząstki już z pewnością nie ma). Tak niezwykłe zachowanie funkcji falowej, zwane dekoherencją, nie znajduje wyjaśnienia w mechanice kwantowej i jest jedną z największych zagadek współczesnej fizyki, a także źródłem gorących dyskusji filozoficznych.

Dla nas istotne jest jednak to, że wiele niekiedy bardzo wyrafinowanych doświadczeń fizycznych rzeczywiście wskazuje, że układy kwantowe przed pomiarem potrafią się znajdować w wielu stanach jednocześnie.

Nowy władca informacji

W tym kontekście staje się naturalne, że kubit, bit informacji kwantowej, ma niezwykłą cechę, wynikającą właśnie z praw mechaniki kwantowej: może być jednocześnie nie tylko w stanie 0 i 1, ale także trochę w 0 i trochę w 1 - znajduje się w superpozycji dwóch stanów. Analogicznie, zbudowany z ośmiu kubitów kubajt może być we wszystkich stanach, od 0 do 255, naraz. Konsekwencje tego są doniosłe. Klasyczny bajt wymaga odczytania sekwencji bitów, a procesor w każdym momencie przetwarza tylko jeden bit. Kubit, będący właściwie czymś w rodzaju obłoku prawdopodobieństwa określającego możliwość wystąpienia każdego ze stanów, pozwala przetwarzać wszystkie te stany jednocześnie. Mamy więc do czynienia z przetwarzaniem równoległym, któremu we współczesnej elektro-nice odpowiadałoby użycie wielu procesorów. Ilu? Odpowiedź jest szokująca.

Wydajność komputerów kwantowych nie zależy od żadnych zegarów - w ogóle ich tu nie ma. O wydajności decyduje liczba kubitów. Dodanie każdego kolejnego kubitu procentuje dwukrotnym przyspieszeniem obliczeń. W efekcie komputer kwantowy składający się z 500 kubitów potrafiłby operować jednocześnie na 2500 stanach! W jednym akcie odczytu otrzymalibyśmy wówczas informację, na której przetworzenie klasyczny komputer zużyłby całe wieki. Zestawienie wypada porażająco: aby uzyskać wydajność przekraczającą najlepszy współczesny superkomputer, wystarczy skonstruować urządzenie składające się z zaledwie 40 kubitów, a przy wspomnianych 500 kubitach mamy odpowiednik współczesnego komputera z 10150 procesorami. Napiszmy to explicite: mowa o komputerze funkcjonującym tak, jakby zawierał

1000000000000000000000000000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000

00000000000000000000000000000000000000000 procesorów!

Trzeba przyznać, że liczba ta robi kolosalne wrażenie, zwłaszcza gdy uzmysłowimy sobie, że liczbę cząstek elementarnych w całym obserwowanym Wszechświecie szacuje się na marne 1080, a 500 kubitów to wcale nie maksimum, które mógłby wykorzystywać kwantowy komputer.

Na tropie kubitów

Isaac Chuang z IBM demonstruje fiolkę zawierającą 7-kubitowy komputer kwantowy. <i>Zdjęcie: IBM Corporation</i>

Isaac Chuang z IBM demonstruje fiolkę zawierającą 7-kubitowy komputer kwantowy. <i>Zdjęcie: IBM Corporation</i>

Wobec tak istotnych zalet pozostaje jedno pytanie: jak zrobić komputer kwantowy? Odpowiedź jest równie niezwykła, jak świat kwantów: nie trzeba go robić. On już jest, stykamy się z nim codziennie, mało tego, sami jesteś-my zbudowani z elementów, które można traktować jako komputery kwantowe. Czym bowiem w istocie jest komputer? To urządzenie pobierające informację z otoczenia, przetwarzające ją, a następnie zwracające. Ta najprostsza z definicji obejmuje nie tylko produkty na półkach sklepowych, ale praktycznie każdy obiekt kwantowy naszego świata. Cząstki elementarne, atomy i cząsteczki przechowują informację, którą da się wyrazić poprzez ich parametry kwantowe. W chwili, gdy między obiektami dochodzi do oddziaływania, ich parametry zmieniają się, a więc zmienia się zawarta w nich informacja. Podstawową jednostką liczącą w komputerze kwantowym są więc atomy i cząstki elementarne, na których brak z pewnością nie możemy narzekać. Wszystko wokół nas, cały wszechświat, można potraktować jako pewien rodzaj komputera kwantowego, ciągle przetwarzającego dane. Skoro "procesory kwantowe" są tak powszechne, dlaczego na biurkach stoją tradycyjne pecety? Cała sztuka z wykonaniem komputera kwantowego tkwi nie w tym, aby go zrobić, ale w tym, aby nauczyć się go kontrolować.


Zobacz również