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.

Turinys

[taisyti] Kvantinio kompiuterio pranašumai prieš klasikinius

Kvantinis kompiuteris su keliais tukstančiais kubitų (vienas mažas kvantinis procesorius), tam tikrose užduotyse (pvz.: kvantinis simuliavimas) bus greitesnis nei klasikinis procesorius padarytas iš visų Visatos atomų (kurių Visatoje yra apie 1090), kur tranzistoriai būtų atomo dydžio ir pats procesorius dirbtų šviesos greičiu (3 * 1018 Hz).

Beto pagal Muro dėsnį, apie 2020 metus, vis mažinant tranzistorių dydį bus pasiektas atomo spindulio didumas 0,1 nm = 10 − 10 m (šiuolaikinių procesorių tranzistorių dydis 65 nm) ir mažint tranzistorius jau nebus kur. Dar ir kitas šio ilgio (0,1 nm = 10 − 10 m) aspektas yra, kad šviesa (ir elektros srovė) tokį atstumą praeina per t=3,(3)*10 − 19 s, o tai reiškia, kad klasikinis kompiuteris gali pasiekti maksimalų dažnį f=1/(3,(3)*10 − 19)=3*1018 Hz.

[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 %.


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

a2 + b2 + c2 + d2 + e2 + f2 + g2 + h2 = 1, kur tikimybė išmatuoti, pavyzdžiui, |010\rangle yra c2.

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 išaugo, kai 1994 m. mokslininkas P. Šoras iš AT&T sukūrė faktorizavimo (skaičiaus išskaidymas į daugiklius) algoritmą kvantiniams kompiuteriams. Faktorizavimas yra taikomas RSA koduose, 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 aišku tai, kad kvantinis kompiuteris ne visose skaičiavimose bus pranašesnis už klasikinį kompiuterį, pavyzdžiui, kvantinis kompiuteris šachamatuose nebus greitesnis už klasikinį kompiuterį. Bet pagrindinė, kvantinio kompiuterio paskirtis turėtų būti kvantinių procesų vykstančiu atomose modeliavimas, čia jis turėtų išlošti ekspontencialiai, o pats kvantinių procesų modeliavimas yra svarbus vaistų išradimui, molekulių modeliavimui. Kvantinis simuliavimas galbūt leistų daryti virtualius bandymus su elementariosiomis dalelėmis, arba galbūt net modeliuoti, pavyzdžiui, viso organizmo vystimasi iš DNR.

[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 (tik neaišku ar kvaninis kompiuteris gali duoti pagreitėjimą tokiose užduotyse). 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. Kvantiniai kompiuteriai gali būti taikomi daugelyje optimizavimo užduotyse, vaistų atradime, DNR kodo apdorojime ir kitose sudetingose skaičiavimuose reikalaujančiuose eksponentiškos kvantinio kompiuterio galios, kurios neturi klasikiniai kompiuteriai.

[taisyti] Kvantinių sistemų simuliavimas

Sprendžiant užduotį su 1000 elektroninių sukinių atmintyje turi tilpti 2^1000 bitų, tai apie 10^301 bitų. Sakykime, norime modeliuoti elektroną besisukantį aplink protoną, x, y, z ašiai reikia parinkti bent 100 reikšmių kiekvienai, kad gautųsi tikslus elektrono modeliavimas. Tai iš viso reikia apskaičiuoti 100*100*100=100000 padečių. Jei yra du elektronai, tai jie vienas kitą stumia ir jau reikia apskaičiuoti 10^12 padėčių - tai jau sunku superkompiuteriui. Jei yra tris elektronai sukasi - 10^18 bitų. O ką jau kalbėti apie sudetingas molekulias tokias kaip DNR. Taigi su paprastu kompiuteriu modeliuojami tokie procesai tik labai apytiksliai paimant apytikslius koficientus. Taigi kvantinis kompiuteris čia turėtų aiškių pranašumų.

[taisyti] Kvantiniai vartai

Hadamardo vartai
CNOT vartai
kvantiniai NOT vartai
fazės vartai
Tofolio vartai

[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 kvantinį kompiuterį.
2000 m. IBM sukūrė 5 kubitų kvantinį kompiuterį.
2001 m. kompanija IBM sukūrė 7 kubitų veikiantį kvantinį kompiuterį, naudojantį branduolinį magnetinį rezonansą (BMR). BMR pagrindu veikiantys kvantiniai kompiuteriai yra neperspektyvūs, nes >10 kubitų turintis BMR pagrindu veikiantis kvantinis kompiuteris 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

Pokalbis su kvantinių skaičiavimų tėvu, David Deutsch
D-wave tinklapis
http://advancednano.blogspot.com/search/label/quantum%20computer