Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies.



14.07.2021

Platforma AQUILA

IBM zaprezentował platformę opartą na sztucznej inteligencji służącą do kompleksowej, w...
14.07.2021

Przenoszenie Javy do chmury

JBoss Enterprise
14.07.2021

Nowe okna

Windows 11
14.07.2021

Monitoring sieci

nVision 12.5
14.07.2021

Automatyczna ochrona

Nowości w FortiEDR
14.07.2021

Seria monitorów...

Firma Newline prezentuje serię monitorów interaktywnych MIRA.
14.07.2021

Modularne routery IoT

Cisco Catalyst
14.07.2021

Nowy poziom pracy

Radeon PRO W6000
14.07.2021

SI w monitoringu

Kamery i-PRO S-Series

Działanie i właściwości komputerów kwantowych

Data publikacji: 14-07-2021 Autor: Adam Kamiński

Hasło „komputer kwantowy” od lat rozbudza wyobraźnię zarówno twórców sci-fi, jak i fizyków na całym świecie. Ich potencjał, choć wciąż w dużej mierze niesprawdzony, zawładnął już oczekiwaniami branż, od usług finansowych po logistykę.

 

Richard P. Feynman – wybitny fizyk, jeden z głównych twórców elektrodynamiki kwantowej – stwierdził kiedyś: „Jeśli myślisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej”. Nie zraża to jednak naukowców do kontynuowania badań nad ujarzmieniem mocy kwantu, a rozważania Feynmana nad ograniczeniami mocy obliczeniowej komputerów posłużyły za podwaliny koncepcji komputera kwantowego

Komputery służą nam do niezwykłych rzeczy. Siedem dekad ich obecności w naszym życiu i doskonalenia procesu technologicznego decydującego o ich działaniu sprawiły, że obecnie są doskonale rozwinięte. Świetnie radzą sobie z różnymi klasami problemów i stanowią źródło innowacji w technologii, zaczynając od miniaturyzacji, a kończąc na algorytmach sztucznej inteligencji. Wciąż jednak są takie obszary i zagadnienia, które stanowią dla komputerów binarnych duże wyzwanie. W pewnym momencie każdy algorytm, nieważne jak prosty, staje się po prostu niewykonalny z powodu przytłaczającej wagi jego danych wejściowych. Nawet w programowaniu makra w Excelu czas zużywany na przeliczenie formuły coraz bardziej się wydłuża przy dodawaniu kolejnych wierszy wejściowych.

Obecnie docieramy również do końca możliwości obliczeniowych klasycznych komputerów. Gordon Moore, gigant w historii informatyki oraz współzałożyciel Fairchild i Intela, w latach 60. sformułował prawo mówiące, że liczba tranzystorów podwaja się każdego roku przy równoważnej powierzchni chipa. Zgodnie z tym prawem moc obliczeniowa podwajałaby się każdego roku przy tych samych kosztach równoważnych. Istnieje jednak teoretyczna granica ewolucji prawa Moore'a. Przy współczesnych możliwościach technicznych nie jest już możliwe zmniejszenie rozmiaru tranzystorów poniżej 3 nm ze względu na efekt kwantowy – zjawisko tunelowania – a dodawanie kolejnych tranzystorów nie zwiększa mocy obliczeniowej klasycznych komputerów. Potrzebna jest alternatywa. Jedną z nich są właśnie komputery kwantowe.

 

> INACZEJ NIE ZNACZY LEPIEJ

Szybkość, bezpieczeństwo, większa moc – to kluczowe cechy, które określają korzyści płynące z korzystania z obliczeń kwantowych. Byłoby jednak nieścisłe stwierdzenie, że komputery kwantowe uruchamiają programy szybciej niż ich klasyczne odpowiedniki lub serwer x86. „Program” dla urządzenia kwantowego to coś zupełnie innego niż wszystko, co kiedykolwiek wyprodukowano dla procesora binarnego. W 1973 r. rosyjski matematyk radziecki Alexander Holevo zademonstrował podstawowe twierdzenie o obliczeniach kwantowych. Ustala ono, że n kubitów nie może przenosić więcej niż n konwencjonalnych bitów informacji. Jest to bardzo zaskakujące, ponieważ obliczenia kwantowe są często uznawane za znacznie lepsze niż te klasyczne. Nie są lepsze, są inne. Dr Shohini Ghose, fizyk kwantowa i przewodnicząca Kanadyjskiego Stowarzyszenia Fizyków, porównując klasyczne komputery do komputerów kwantowych, użyła prostej alegorii. Jeżeli nasze klasyczne komputery są świeczkami, to komputery kwantowe są żarówkami. Cel obu jest ten sam – w przypadku żarówek i świec to emitowanie światła, a w przypadku komputerów – wykonywanie obliczeń. W obu przypadkach cel osiąga się jednak zupełnie inaczej. Ghose tak to przedstawia: „Komputer kwantowy nie jest tylko zaawansowaną wersją obecnych komputerów, tak jak żarówka nie jest jedynie silniejszą świecą. Nie można zbudować żarówki przez tworzenie coraz lepszych świec. Żarówka to inna technologia, oparta na głębszym rozumieniu naukowym. Podobnie komputer kwantowy jest nowym typem urządzenia, opartym na fizyce kwantowej, i tak jak żarówka zmieniła społeczeństwo, komputery kwantowe mają potencjał wpłynąć na wiele aspektów naszego życia, w tym potrzeby bezpieczeństwa, służbę zdrowia, a nawet internet”.

 

> ZAWARTOŚĆ KOMPUTERA W KOMPUTERZE KWANTOWYM

Kompletny komputer kwantowy, spełniający misję wyznaczoną mu przez naukowców i inżynierów oraz realizujący genialną wizję Richarda Feynmana, nie został jeszcze zbudowany. Istnieją urządzenia kwantowe, które w sensie wykonywania lub podejmowania prób wykonywania programów działają. Nie są to komputery w takim rozumieniu, w jakim je rozumiemy – cyfrowe pudła procesorów wypełnione półprzewodnikami z szynami interfejsów i sieciami zewnętrznymi. Nie jest to urządzenie przenośne ani chłodzony serwer z procesorem i pamięcią. Przypominają klasyczne komputery głównie pod jednym względem – odbierają dane wejściowe i wytwarzają dane wyjściowe.

Każdy klasyczny komputer elektroniczny wykorzystuje naturalne zachowanie elektronów do generowania wyników zgodnie z logiką Boole'a (dla dowolnych dwóch określonych stanów wejściowych jeden określony stan wyjściowy). Tutaj podstawową jednostką transakcji jest cyfra binarna (bit), której stan wynosi 0 lub 1. W konwencjonalnym półprzewodniku te dwa stany są reprezentowane przez niski i wysoki poziom napięcia w tranzystorach.

W komputerze kwantowym struktura jest radykalnie inna. Jego podstawową jednostką rejestracji stanu jest kubit. Podczas gdy komputery klasyczne używają znanych mikroukładów opartych na krzemie, kubity mogą być wykonane z uwięzionych jonów, fotonów, sztucznych lub prawdziwych atomów albo kwazicząsteczek. W zależności od architektury i systemów kubitów niektóre implementacje wymagają, aby ich kubity były przechowywane w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu.

Zamiast tranzystorów komputer kwantowy pozyskuje swoje kubity, bombardując atomy polami elektrycznymi ustawionymi prostopadle do siebie, co prowadzi do wyrównania jonów, ale także do wygodnego i równoważnego ich rozdzielenia. Kiedy jony te oddziela wystarczająca przestrzeń, ich orbitujące elektrony stają się adresami domowymi kubitów.

Podczas gdy konwencjonalny komputer koncentruje się na napięciu, system kwantowy zajmuje się (pasywnie) jednym aspektem elektronów na poziomie kwantowym, zwanym spinem. Ma to związek z momentem pędu elektronu. Powodem, dla którego używamy terminu „kwant” na subatomowym poziomie fizyki, jest niepodzielność tego, co możemy zaobserwować, np. ilość energii w fotonie (cząstce światła). Spin jest jednym z tych niepodzielnych składników, reprezentujących moment pędu elektronu okrążającego jądro atomu. Spin elektronu wynosi zawsze, jak obliczają to fizycy, 1/2 (połowa); jedyną różnicą jest tutaj polaryzacja, która może być skierowana w górę lub w dół.

 

[...]

 

Autor jest testerem oprogramowania i entuzjastą technologii rozproszonych rejestrów. Redaktor „IT Professional”.

Pełna treść artykułu jest dostępna w papierowym wydaniu pisma.

.

Transmisje online zapewnia: StreamOnline

All rights reserved © 2019 Presscom / Miesięcznik "IT Professional"