Kwanty w grochy

Są już gotowe teoretyczne podstawy działania komputerów kwantowych. Coraz większe sumy pieniędzy i coraz mniejsze wymiary urządzeń towarzyszą wprowadzaniu nowych technologii.

Są już gotowe teoretyczne podstawy działania komputerów kwantowych. Coraz większe sumy pieniędzy i coraz mniejsze wymiary urządzeń towarzyszą wprowadzaniu nowych technologii.

W przemyśle komputerowym najwięksi producenci wolą sami kształtować przyszłość niż zajmować się jej przewidywaniem. Wolna konkurencja, która w teorii powinna prowadzić do wyboru najlepszych pomysłów i eliminowania gorszych, jest w praktyce mocno ograniczana przez marketingową potęgę gigantów. Z całą siłą wspierają oni rozwiązania ze swoich laboratoriów, rzadziej szukają obiecujących nowinek powstałych w przysłowiowych garażach. Z tego powodu los technologicznej wróżki nie jest taki trudny, wystarczy zajrzeć do biuletynów gigantów i nie zawracać sobie głowy pomysłami maluczkich. Ryzyko pomyłki jest niewielkie.

Małe jest piękne

Millipede. Prosty pomysł w nanoskali. Zapisuje bilion bitów na calu kwadratowym.

Millipede. Prosty pomysł w nanoskali. Zapisuje bilion bitów na calu kwadratowym.

Wydaje się, że od miniaturyzacji i wyeliminowania przewodów nie ma odwrotu. Dziś główną przeszkodą na tej drodze są interfejsy do komunikowania się z użytkownikiem, ekrany i manipulatory. Kolejną - rozmiary gniazdek, slotów, wtyczek i innych ruchomych połączeń. W istocie są po to, aby móc budować modularne, elastyczne konfiguracje dostosowane do potrzeb i grubości portfela użytkownika. To zalety, które pozwoliły pecetom poradzić sobie z konkurencją Amig i innych wcale nie gorszych konstrukcji. Usuwając gniazdka, myślimy raczej o jakimś rodzaju połączenia radiowego niż stałego.

Za przykład tych tendencji mogą służyć mniej lub bardziej kompletne komputery w formie zegarków na rękę. Mierzenie czasu jest w nich dodatkiem do wykonywania różnych funkcji obliczeniowych. Rośnie liczba funkcji, które można zmieścić w tak małej objętości. Barierą nie są już możliwości obliczeniowe elektroniki, ale wydajność połączeń i dostęp do strumieni informacji. Obecnie bez problemu można kupić "zegarek" o możliwościach palmtopa czy prostszych urządzeń typu PDA (osobisty asystent cyfrowy).

Microsoft ma mocną pozycję na rynku oprogramowania, ale z inicjatyw sprzętowych nie był dotąd znany. Tym razem utworzył Smart Personal Objects Technology (SPOT), wspólny projekt z kilkoma producentami zegarków bardziej zaawansowanych technicznie. Na ręce znajdzie się prawdziwy cyfrowy wyświetlacz z programowalnym dostępem do każdego piksela, odbiornik sygnału radiowego modulowanego częstotliwościowo, który ma być w każdej chwili gotowy do magazynowania aktualnie nadawanych informacji, indywidualnie dostosowanych do życzeń użytkownika, np. o pogodzie, wydarzeniach, przekraczanych strefach czasowych czy utrudnieniach w ruchu drogowym w przypadku przemieszczania się. Taką indywidualizację ma gwarantować nowy protokół transmisji. Do tego dochodzi umiejętność odbioru wiadomości tekstowych i graficznych na podobieństwo komórkowych SMS-ów. Elektroniką zajmie się National Semiconductors. Urządzenie ma być gotowe także do zamontowania na samochodowych tablicach rozdzielczych. Sieć nadajników obejmie setkę miast w Stanach Zjednoczonych i największe w Kanadzie. O wyświetlaczach komputerowych wielkości i kształtu zegarka myśli także Intel. Pisaliśmy o tym w sprawozdaniu z ubiegłorocznego IDF-u krzemowego giganta.

Rozmiary bramki. Przeszłość i prognoza.

Rozmiary bramki. Przeszłość i prognoza.

Jednak nawet zmniejszenie pozwalające na zamknięcie całego komputera w zegarku nie zagwarantuje wystarczającego przyspieszenia pracy w dłuższej perspektywie. Na razie sprawdza się prawo Moore'a, zgodnie z którym gęstość upakowania elementów i moc obliczeniowa układów mają się podwajać co półtora roku. Oczywiście prawo nie musi obowiązywać wiecznie, ale chcąc zachować jego ważność i miniaturyzując w dotychczasowym tempie, natrafimy w końcu na barierę: rozmiary poszczególnych elementów zbliżają się do wielkości atomów. Dzisiaj podstawowy budulec układów, bramka logiczna skonstruowana w technologii 90-nanometrowej, składa się mniej więcej z tysiąca atomów. Nietrudno policzyć, kiedy miniaturyzując kolejne bramki, zaczniemy operować wielkościami zbliżonymi do pojedynczych atomów. Za dwadzieścia lat liczba atomów na bramkę powinna zmniejszyć się do kilku. Zaczną decydować siły innego rodzaju, więc bramka nie będzie już mogła funkcjonować na dotychczasowych zasadach.

Odłączenie komputerów i ich części od przewodów wymaga ponadto rozwiązania problemu zasilania. W tej dziedzinie także szykuje się rewolucja. Wchodzą do produkcji nowe typy baterii, w których stosuje się metanol. Mają one więcej mocy uzyskiwanej z jednostki objętości niż baterie bez metanolu. Zanim zmusimy atomy do wykonywania obliczeń, przejdziemy jeszcze przez etap nanotechnologii. Jednym z bliskich wprowadzenia projektów tego typu jest Millipede, opracowany w IBM mikromechaniczny magazyn informacji. W objętości mniejszej od karty pamięci Secure Digital zmieści się wiele gigabajtów danych do wielokrotnego wykorzystania. Poza niewielkimi wymiarami oczekuje się od urządzenia niskiej ceny przechowywania jednostki informacji. O Millipede i innych technologiach wielkości nanometra pisaliśmy szczegółowo w numerze grudniowym. Jest pewne, że przejdziemy przez ten etap miniaturyzacji na drodze do komputerów zbudowanych z jeszcze mniejszych elementów. W urządzeniach w skali atomowej będziemy mieli do czynienia z innymi zjawiskami fizycznymi i innym sposobem liczenia niż do tej pory. Na poziomie mikroświata musimy zacząć uwzględniać prawa mechaniki kwantowej. To nakłada na konstruktorów komputerów kwantowych pewne ograniczenia, ale w całkiem niespodziewany sposób jest też źródłem niebagatelnych korzyści. Zwykłe bity informacji zachowują się zupełnie inaczej i dla odróżnienia trzeba było dla nich utworzyć osobną nazwę. Mamy zatem bity kwantowe albo w skrócie i po spolszczeniu - kubity.

Kwantowe bity

Stan kubitu ilustruje jego pozycja na sferze Blocha. Widać to wyraźniej, jeśli zgodnie z pomysłem prof. Ryszarda Tanasa, narysujemy wielkie koło prostopadłe do punktu na sferze i zabarwimy je stosownie do nachylenia.

Stan kubitu ilustruje jego pozycja na sferze Blocha. Widać to wyraźniej, jeśli zgodnie z pomysłem prof. Ryszarda Tanasa, narysujemy wielkie koło prostopadłe do punktu na sferze i zabarwimy je stosownie do nachylenia.

Zwykły bit komputerowy, podobnie jak jego fizyczna reprezentacja, może przyjmować jedną z dwóch wartości: zero albo jedynkę, tak albo nie, prawda albo fałsz, orzeł albo reszka itd. Z wystarczająco długiego ciągu pojedynczych bitów można zbudować dowolną informację. Kwantowym odpowiednikiem pojedynczego bitu jest dowolny układ dwustanowy. Mogą to być dwa poziomy energetyczne atomu, dwa kierunki obrotu elektronu, dipol magnetyczny obrócony w jedną lub drugą stronę czy foton o dwóch wzajemnie prostopadłych stanach polaryzacji. Stany odpowiadające zeru i jedynce tworzą bazę. Zwykłe bity mogą przyjmować tylko wartości bazy, podczas gdy kwantowe - także pośrednie. Mogą być dowolną superpozycją swoich stanów bazowych, np. światło spolaryzowane ukośnie można uważać za superpozycję polaryzacji poziomej i pionowej.

Często kubit porównuje się do koziołkującej monety - reprezentuje zarówno orła, jak i reszkę. Dopiero kiedy upadnie, sytuacja się wyjaśnia. To etap dokonywania pomiaru. Jego wynik nie jest pewny i znając stan początkowy, tylko z pewnym prawdopodobieństwem możemy określić końcowy. Upadek monety symbolizuje przejście kubitu w jeden ze stanów podstawowych. Następuje tzw. redukcja stanu kwantowego, czyli w istocie rzeczy utrata informacji o tej składowej, której baza w czasie pomiaru zostaje pominięta. Pomiar kwantowy może np. polegać na ustawieniu polaryzatora na drodze padającego światła i zmierzeniu wyjściowej amplitudy. Foton o tym samym kierunku polaryzacji przechodzi z prawdopodobieństwem jeden, spolaryzowany prostopadle zostanie zatrzymany, więc reprezentuje zero. Światło spolaryzowane ukośnie przejdzie przez pionowy albo poziomy polaryzator w proporcjach odpowiednich do swoich składowych.

Ustawiając polaryzator pionowo, tracimy informację o stanie składowej poziomej i na odwrót. Ta strata jest bezpowrotna, odwracalna jest natomiast ewolucja kubitów między pomiarami. Formalnie oznacza to poruszanie się kubitu po powierzchni jednostkowej kuli, tzw. sfery Blocha.

Dla własności kwantowych istotne jest, że każda pozycja na sferze ma swój odpowiednik na jej antypodach. Zatem każdy kubit ma swojego jednego, szczególnego partnera, z którym superpozycja wykazuje niezwykłe właściwości. Najprostszym odpowiednikiem tego stanu jest równanie z dwoma niewiadomymi, do którego też można specjalnie dobrać drugie równanie, aby otrzymać nierozwiązywalny układ nieoznaczony. W terminologii kwantowej superpozycja takich kubitów nazywa się stanem splątanym.


Zobacz również