Kvantni kompjuteri

Ako dodate malo (kvantne) fizike, pogled na računare iz korena se menja

Kroz istoriju računara, osnovne postavke nisu se mnogo menjale. Tjuringova mašina, binarna logika, Fon Nojmanov koncept - sve ovo i danas važi, a skoro sve što se menjalo odnosi se samo na povećanje brzine i minijaturizaciju. Najveći pomak, mora se istaći, napravio je softver. Menjajući sve to iz korena, kod kvantnog kompjutera u pitanju je sasvim drugačiji način obrade informacija (što je osnovni zadatak računara), zasniva se na delu fizike nazvanom kvantna mehanika.

Istorija

Kvantna fizika je grana, kako to mnogi vole da kažu, savremene fizike. Bazira se na nekoliko postulata od kojih je najbitniji pojam kvanta. Kvantna fizika tvrdi da fizičke veličine ne mogu imati proizvoljno male vrednosti, već se sastoje iz celog broja elementarnih jedinica, kvantova. Drugi postulat bavi se prirodom materije, tvrdeći da ona ima dvojaku prirodu - i korpuskularnu (čestičnu) i talasnu. U težnji da se veličina kompjuterskih komponenti smanji i drastično poveća brzina, ovi su zakoni ponudili svođenje dimenzija na nivo elektrona.

Mada je kvantna fizika relativno stara disciplina, tek su 1985. godine nemački naučnici napravili prvi nacrt kvantnog kompjutera. Ovaj teorijski računar razvijan je „na papiru”, uglavnom na univerzitetima, ali su izostali praktični radovi. Međutim, u proteklih nekoliko godina desio se prelazak „s papira u stvarnost”, odnosno, došlo je do praktičnih ostvarenja nekih postavki teorije kvantnih računara.

Vrti se oko nule

Prema kvantnoj mehanici, atomi ili elektroni mogu se naći na dva mesta u isto vreme ili mogu postojati u dva stanja u isto vreme. Iskoristivši i osobinu elektrona da se oko svoje ose mogu vrteti u dva suprotna smera (spin), naučnici su ove osnove kvantne mehanike „ubacili” u računarsku tehniku i dobili jednu proširenu binarnu logiku. Ako označimo moguće vrednosti spina sa 0 i 1, dobijaju se kvantni bitovi ili „kjubiti” (engl. qubits) – i binarna logika je tu. Ipak, logika je proširena, jer se u isto vreme barata sa po dve vrednosti.

Ako celoj priči dodamo još 20 elektrona, koji se zovu kvantne tačke (engl. quantum dots) i koji vezuju elektrone - kvantne bitove, dobijamo 20 elemenata ekvivalentnih tranzistorima u klasičnim kolima. Jedan „kvantni tranzistor” može imati četiri kombinacije kvantnih bitova. Snaga kola, dakle, raste eksponencijalno: sa dva vezana elektrona manipuliše se sa četiri vrednosti, sa tri elektrona - osam, a sa 40 već bismo imali trilion istovremenih vrednosti za manipulaciju... Ako uzmemo u obzir i dimenzije - na površinu zrnca peska stalo bi oko 5000 tranzistora.

Interakcijom između dve ili više kvantnih tačaka možemo dobiti aritmetičke operacije. Ali, pošto je elektron nosilac dve informacije (0 i 1 istovremeno), mi prilikom sabiranja interakcijom dva elektrona istovremeno dobijamo četiri moguća zbira (0+0, 0+1, 1+0 i 1+1). Kasnije se od ova četiri rezultata odabira pravi.

Čemu ovo služi, a uz to i ne radi?!

Sve je ovo ipak samo teorija – kvantni računar još je u povoju. Mada se materijalizovanje ovakvih računara ne očekuje skoro, pojedini praktični koraci ipak su napravljeni. Uglavnom, sve što su za sada eksperimenti pokazali svodi se na postojanje mogućnosti ostvarenja kvantnog računara. Tako su naučnici sa Univerziteta Perdju povezali dve kvantne tačke, kontrolišući broj elektrona u tački, a pronašli su i način da se očitavaju vrednosti spinova elektrona. Koristeći litografiju elektronskim snopom, naučnici su naneli mala metalna ostrva na podlogu od galijum-arsenida (GaAs). Stvaranjem dve kvantne tačke, po prvi put u svetu ostvarena je interakcija elektrona različitih spinova. Ovaj eksperiment naučnici smatraju za osnovu razvoja kvantnih kompjutera u poluprovodnoj tehnici.

Prvi modeli kvantnog računara kod koga se podaci dobijaju brzinom svetlosti napravljen je na Univerzitetu u Ročesteru (Njujork, SAD). On se zasniva na teoriji kvantnih kompjutera uz dodatak optičkih elemenata.

Vojna industrija SAD pokazala je značajno interesovanje za pojam submolekulskih računara. Njihovom zaslugom krajem 1998. godine u Nacionalnoj laboratoriji u Los Alamosu (Novi Meksiko, SAD) napravljen je prvi 3-kjubitni kvantni računar. Samo godinu i po kasnije, Rejmond Laflejm i njegove kolege s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (www.nist.gov) napravili su 7-kjubitni kvantni kompjuter, a danas rade na razvoju 15-kjubitnog računara.

Da bi prikazao moguću brzinu kvantnog računara, Lov Grover iz Belovih laboratorija je 1996. godine napravio veoma brz algoritam za pretraživanje velikih baza podataka. Nazvan je GSA (Grover Search Algorithm) i da bi našao podatak u bazi od milion elemenata mora da „pretrese” samo 1000 podataka (0,1%), dok najbolji klasični algoritam mora da pročešlja bar 50% od ukupnog broja podataka. Rezultat se dobija praktično trenutno. Ovaj algoritam samo je jedan od mnogih koji koriste prednosti kvantnih kompjutera, ali će za praktičnu primenu morati da sačekaju na kvantni kompjuter koji će imati nekoliko miliona kjubita.

Jasna slika budućeg kvantnog računara ne postoji, čak se ne može utvrditi ni da li će on moći da se koristi onako kako se koriste današnji računari. Ostalo je mnogo posla oko dokazivanja postavljenih teorija u praksi, pa je stanje u razvoju kvantnih kompjutera najbolje opisao sam Rejmond Laflejm rečima: „Kada sam optimistički raspoložen, mislim da ćemo imati kvantni kompjuter za 20, 30, možda 40 godina. Ali, kada me uhvati pesimističko raspoloženje, mislim da je kvantno računarstvo blesavo!”.

Dušan STOJIČEVIĆ