Kvantni računar

Kvantni računari su računari koji pri svom funkcionisanju koriste kvantna svojstva mikro čestica. Oni se suštinski razlikuju od klasičnih kompjutera kod kojih se informacije bazično predstavljaju u obliku bitova (0 i 1). Kod njih su osnovne jedinice operacije tzv. kubiti, koji koriste kvantni fenomen superpozicije, tunelskog efekta i druge za operaciju nad informacijama.

Mogućnosti ovakvih računara su velike i ogledaju se u tome da bi neki matematički problemi mogli biti rešeni mnogo brže, nego kod klasičnih. Primer za to je Šorov, kvantni algoritam, koji bi mogao biti apsolutno najbrži način za faktorizaciju brojeva i koji bi bez problema dekriptovao svaku RSA šifru koja je danas u upotrebi (naši bankovni računi, šifre od mejl naloga, vojne i državne tajne itd).

Na ideju o ovakvim računarima je prvi došao američki nobelovac i fizičar Ričard Fajnman još 1982. godine i od tada je na ovom polju učinjen veliki napredak. Mnogi eksperimentalni „kompjuteri“ koji uspešno funkcionišu se stvaraju iz dana u dan, a može se reći da je ovo trenutno jedna od najživljih oblasti nauke.

Potreba za novom računarskom tehnologijom

Razvoj modernih kompjutera obeležava izuzetno brz rast brzine kompjuterskih procesora, koji možda i najbolje definiše čuveni Murov zakon, koji je postavio osnivač Intela Gordon Mur 1965. godine, a koji predviđa udvostručavanje količine tranzistora na procesoru svakih 18 – 24 meseca. Trend ovog ogromnog rasta je zahvaljujući velikom razvoju tehnologije važio preko 40 godina, ali se poslednjih godina primećuje njegovo usporavanje, pre svega usled toga što aktuelna silicijumska tehnologija mikroprocesora dolazi do svojih prirodnih i tehničkih granica. Iako je obeležila krucijalan period razvoja računara, sasvim je izvesno da će je uskoro zameniti nove tehnologije.

Već nekoliko decenija se razvijaju prototipi sa potpuno drugačijom tehnologijom tranzistora, kao što su: optički, molekulski, DNK, kvantni itd.

Princip kvantnih tranzistora

Kubiti se sastoje od kontrolisanih čestica i sredstva za kontrolu (e.g. uređaja koji zarobljavaju čestice i preobražavaju ih iz jednog stanja u drugo).^[1]

Kvantni tranzistori se suštinski razlikuju od klasičnih, silicijumskih tranzistora, kod kojih je princip rada jednostavniji i bazira se na tome da li u strujnom kolu ima struje (1 u binarnom kodu) ili nema struje (0 u binarnom kodu). Oni se, slično bitovima kod klasičnih kompjutera nazivaju kubiti i predstavljaju osnovne jedinice operacije kvantnih računara. Njihov mehanizam rada je zasnovan na kvantnim svojstvima čestica, koje imaju jedinstvenu sposobnost superpozicije, odnosno činjenici da jedna čestica u jednom trenutku može biti u više stanja sve dok ne izvršimo neka merenja i ne delujemo spoljašnjom silom na nju. Oni mogu u binarnom sistemu predstavljati u određenom trenutku sve superpozicije stanja 0 i 1.

Uzmimo primer trobitnog registra kod klasičnog računara, stanje računara, odnosno tranzistora u bilo kom trenutku može biti jedno od $2$ ^$3$ $=$ $8$ , odnosno 000; 001; 010; 011; 100; 101; 110; 111, svakako znamo da se ovaj računar sigurno nalazi u jednom od ovih stanja i ukupna verovatnoća svih stanja je jednaka 1, s druge strane kod kvantnih računara kubiti mogu istovremeno biti u više ovih stanja. Dakle, ako stanja kvantnih kompjutera predstavimo sa 8 kompleksnih brojeva $a,b,c,d,e,f,g,h,$ onda će njihovi kvadrati zapravo predstavljati verovatnoću za svaku pojedinačnu vrednost, a zbir tih verovatnoća je 1, odnosno:

$|a|$ ^$2$ $+$ $|b|$ ^$2$ $+$ $|c|$ ^$2$ $+$ $|d|$ ^$2$ $+$ $|e|$ ^$2$ $+$ $|f|$ ^$2$ $+$ $|g|$ ^$2$ $+$ $|h|$ ^$2$ $=$ $1$

.

Kada bi neki klasični kompjuter izvršavao $n$ operacija, teorijski bi sa istim brojem kubitova na kvantnom kompjuteru moglo da se izvrši $2$ ^$n$ operacija u istom vremenskom intervalu, odnosno rast kapaciteta i brzine takvog, hipotetičkog kompjutera bi bio eksponencijalni.

Kubiti su sačinjeni od neke mikro čestice (atoma, elektrona, fotona...) i kontrolnih mikro uređaja, koji kontrolišu rad čestice i zadaju joj naređenja, odnosno definišu njihovo stanje.

Današnji, eksperimentalni kvantni kompjuteri

Ideja o kvantnim računarima je stvorena još 80-ih godina XX veka i već tada su razne strukture bogatih zemalja uvidele potencijal i ulagale značajan novac u istraživanja, pa su tako na raznim svetskim univerzitetima i u kompanijama nastajali prototipovi, koji beleže veliki razvoj i napredak. Današnji kvantni kompjuteri su izuzetno osetljivi, sačinjeni od svega nekoliko kubita, ali ipak u eksperimentalnom smislu predstavljaju dokaz o praktičnoj mogućnosti izgradnje ovih inovativnih računara.

Većina današnjih kvantnih kompjutera se koristi na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, zbog specifičnih osobina superprovodljivosti, koje se javljaju na tim temperaturama. Veliki napredak se ostvaruje i u kontroli i povezivanju kubita, ali je i dalje problem kvantne dekoherencije sveprisutan. Naime, sposobnost superpozicije se gubi kod kompjutera većih dimenzija od nekoliko kubita kad na sisteme deluje i najmanja sila iz spoljašnje sredine, što znači da oni faktički postaju klasični računari. Do sada nije pronađeno rešenje za ovaj problem u dizajnu kvantnih računara, a mnogi stručnjaci iz ove oblasti, kao što je Ralf Lander (IBM) smatraju da se problem dekoherencije nikada neće u potpunosti rešiti. Moguće rešenje mogli bi biti kvantni kompjuteri bazirani u dijamantima, koji minimalizuju problem dekoherentnosti.

Verovatno i najveći proboj na ovom polju načinjen je 2011. godine kada je kanadska kompanija “D wave systems”Dž konstruisala do sada najveći računar ovog tipa sačinjen od 128 superprovodnih kubita, koji su prespojeni sa preko 24 000 Džozefsonovih spojeva, koji su izrađeni od superprovodnika, tako da čitav ovaj sistem radi u kriogenom okruženju (temperaturama blizu apsolutne nule) i ima dimenzije omanjeg automobila, što podseća na prve digitalne kompjutere u svojim začecima. Postoje kontroverze oko toga da li je ovo zaista kvantni računar ili ne, ali činjenica je da ga je američka svemirska kompanija Lokid Martin, uvidevši njegovu perspektivu, kupila za 10 miliona dolara.

Šorov algoritam

Šorov algoritam predstavlja kvantni algoritam koji je razvio američki matemaričar Piter Šor 1994. godine i koji je najbrži postojeći algoritam za faktorizaciju, odnosno razlaganje brojeva na sastavne, proste činioce. On je predstavljao pravu revoluciju u razvoju kvantnih algoritama i omogućio eksponencijalno brže izračunavnje ovog problema od tada najboljih klasičnih algoritama.

Ukoliko bi imali neki broj N, za faktorizaciju preko Šorovog algoritma bi bilo neophodno vreme $O$ $($ $(logN)$ ^$3$ $)$ , dok bi za najefikasniji današnji, klasični algoritam (GNFS algoritam) trebalo $O$ $($ $e$ ^$1.9$ ^$(logN)$^{^$1/3$} ^$(loglogN)$^{^$2/3$} $)$ vremena.

Praktično funkcionisanje ovog principa je demonstrirano 2001. godine u kompaniji IBM kada je broj petnaest u jednom od prvih kvantnih računara razložen na činioce 5 i 3 i na taj način prvi put u istoriji izvršena neka operacija na ovakvom tipu računara. Teorijski, ukoliko bi imali dovoljno veliki broj kubita, mogli bi da uz pomoć njih dekriptujemo savremene kriptografske, asimetrične algoritme, koji koriste upravo činjenicu da je množenje relativno jednostavna operacija, dok je traženje činilaca iz proizvoda, odnosno faktorizacija enormno složenija operacija. Na osnovu toga se uspostavlja veza između privatnih i javnih ključeva, za koju se danas smatra da ne može biti dešifrovana uz postojeći rast kompjuterskih tehnologija u narednih milijardu godina.

Potencijal

Iako su ovi računari tek na početku svog razvoja, njihov potencijal i mogućnosti su ogromne, pogotovo ako uspemo da otklonimo određene tehničke probleme i optimizujemo ih za rad u realnim uslovima (normalna temperatura, adekvatna veličina). Što bude napravljen veći kompjuter (sa većim brojem kubita), to će on postajati mnogo napredniji od današnjih, silicijumskih i u doglednoj budućnosti će biti korišćen za vrlo složena izračunavanja, koja će svakako uticati na svet nauke, ali i na mnoge sfere života.

Kao pokazatelj potencijalnih mogućnosti ovih računara, najbolje je priložiti neke primere. Ako pri pretraživanju određenog broja nerazvrstanih informacija $n$ današnji kompjuteri obavljaju prosečno ${\frac {n}{2}}$ operacija, kvantni kompjuteri bi obavljali prosečno $\scriptstyle {\sqrt {n}}$ operacija. To znači da je kod velikog broja podataka brzina pretrage mnogo veća kod kvantnih, nego kod klasičnih računara. Takođe, kada bi klasičnim putem faktorizovali broj od 300 cifara, za izračunavanje bi nam trebale hiljade godina, dok je kod kvantnih potrebna jedna sekunda.

Povezano

Literatura

Krstajić, Božo (2012) (PDF). Informacione tehnologije - sadašnjost i budućnost. Podgorica: Univerzitet Crne Gore. Arhivirano iz originala na datum 2013-10-24.
Raković, Dejan (2001) (PDF). Makroskopski kvantni efekti u biofizici. Banja Luka: ANU Republike Srpske. ISBN 0-521-59180-5 (hardback) ISBN 0-521-59827-3 (paperback).
Dugić, Miroljub (2009) (PDF). Kvantni računari. Kragujevac: Institut za fiziku. ^{[mrtav link]}

Vanjske veze

↑ Waldner, Jean-Baptiste (2007). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE. str. 157. ISBN 2-7462-1516-0.

[1] Waldner, Jean-Baptiste (2007). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE. str. 157. ISBN 2-7462-1516-0.

[1]