O komputerach kwantowych słów kilka

User avatar Ignacy Sokalski

W ostatnich czasach technologia komputerowa rozwija się w niewyobrażalnym tempie. Zawsze dążono aby przyspieszyć komputery, by można było wykonywać na nich coraz to większe i bardziej skomplikowane obliczenia czy symulacje. Ostatnio zaciągnięto do tej pracy nie bardziej skomplikowany procesor czy kartę graficzną, a niezbyt znaną partnerkę świata codziennego, jaką jest technologia kwantowa, którą wykorzystano w komputerach kwantowych.

Czym jest ten cały komputer kwantowy i jak on działa?

Aby wytłumaczyć jak działa komputer kwantowy musimy przytoczyć sobie podstawy funkcjonowania regularnego komputera. Sercem komputera, jak wiemy, jest procesor i to on nas najbardziej interesuje. Składa się on z milionów tranzystorów, czyli przełączników, które można kontrolować za pomocą prądu elektrycznego. Przeciętna wielkość tranzystorów w procesorze wynosi 14nm czyli 14x10^-9, a możliwe wyjście z tekiego tranzystora może wynosić 1 (stan wysoki) lub 0 (stan niski). Taki system nazywa się systemem binarnym, a po złączeniu ze sobą odpowiedniej ilości tranzystorów w odpowiedni sposób jesteśmy w stanie otrzymać bramki logiczne, a przy milionach bramkach logicznych można na nich już postawić system (oczywiście w bardzo dużym uproszczeniu). Podsumowując - najmniejszą jednostką jest bit, który przybiera jedną z dwóch wymienionych wyżej stanów, ale co to ma wspólnego z komputerami kwantowymi? Mówiąc szczerze - niewiele, lecz bez przytoczenia tych informacji trudno byłoby pojąć teorię funkcjonowania komputera kwantowego.

...
Komputer kwantowy stworzony przez IBM (International Business Machines Corporation)

Jak funkcjonuje komputer kwantowy, skoro nie ma praktycznie nic związanego z regularnym komputerem? Jest to bardzo dobre pytanie, na które odpowiem w kilku fragmentach.

Jednostki w komputerach kwantowych

Wiadomo iż najmniejszymi jednostakmi w komputerach opartych na systemie binarnym są bity, ale jak to się ma z komputerami kwantowymi? Tutaj najmniejszą jednostką jest Kubit (ang. Qubit). Jakie wartości on przybiera i czym on może być? Qubitem może być to jakakolwiek inna określona wartość fizyczna, która może się znaleźć w stanie superpozycji kwantowej i można ją odczytać. Najczęściej jest to elektron o odpowiednim spinie lub odpowiednio spolaryzowany foton. Odnośnie wartości, którą jest w stanie przyjąć Qubit jest to jednocześnie 1 i 0 w przypadku, gdy ta wartość nie zostanie "sprawdzona". Można to sobie wyobrazić na przykładzie kręcącej się monety. Wynikiem takiej czynności może być orzeł (1) lub reszka (0) (nie rozpatrujemy przypadku jeżeli moneta stanęłaby na krawędzi). Końcowym efektem takiej czynności może być pojedynczy wynik, aczkolwiek w czasie kręcenia się tej monety nie wiadomo co wypadnie, dlatego przyjmuje się, że ta wartość jednocześnie może wynosić 1 oraz 0, czyli cztery Qubit-y jednocześnie przyjmują 16 możliwych wartości, gdy 4 bit mogą przyjąć 16, ale tylko 1 jednocześnie. Tylko po "sprawdzeniu" danego qubitu można odczytać jego wartość i wartość innych Qubit-ów. Natomiast po odczytaniu nasza przysłowiowa moneta z powrotem zaczyna się "kręcić" i następne odczytanie może dać inny wynik. Chwila, ale jak to odczytać wartość innych qubitów po sprawdzeniu tylko 1 Qubitu? Dzieje się tak dzięki...

...
4 Qubit-y (nie sprawdzone)

Jak połączone są Qubity? Czyli o splątaniach kwantowych

Qubity mogą być ze sobą połączone na poziomie kwantowym "parami", czyli mogą reagować między sobą z prędkośćią przekraczającą prędkość światła na "prawdopodobnie" nieograniczone odległości. Dzieje się tak dzięki splątaniu kwantowemu. Dzięki temu zjawisku qubity splątane ze sobą po sprawdzenia wartości swojego "partnera" muszą przybrać drugą możliwą wartość, czyli w przypadku odczytania na pierwszym (z 2 ze sobą splątanych qubitach) wartości 0, drugi qubit natychmiastowo przybiera wartość 1. Ta kolejka może się toczyć dalej w nieskończoność, ale zasady się nie zmienią. Więc co nam to daje? Daje nam to możliwość odczytywania stanów wielu qubitów jednocześnie z niewyobrażalną szybkością. W porównaniu do tradycyjnych komputerów jest wielokrotnie bardziej efektywne, a ma to zastosowanie w...

...
Zdjęcie zrobione przez naukowców udowadniające istnienie splątania kwantowego

Działania i manipulacja Qubit-ami

Jak wyżej mówiłem - zwykły procesor składa się z milionów bramek logicznych, które po "przetworzeniu" ich wejścia, którym jest impuls elektryczny, dają zdefiniowaną odpowiedź, natomiast w komputerach kwantowych sprawa ma się trochę inaczej. Tutaj też są stosowane bramki logiczne (oczywiście nie takie same), ale działają na innej zasadzie. Po stworzeniu danego układu z bramek kwantowych komputer kwantowy przetwarza wszystie informacje z początkowego wejścia. Stosuje następnie na nich odpowiednie działania na bramkach logicznych i daje wyjście które nie jest zdefiniowane. Tak samo jak w przypadku pojedynczego Qubitu wyjście nie będzie daną wartością do momentu sprawdzenia, a po następnym sprawdzeniu może mieć już inny wynik. Można to nazwać "żąglerką komputera kwantowego". Wynik może się wielokrotnie zmieniać - oczywiście po uwzględnieniu wszystkich działań na bramkach "kwantowych".

...
Bramki Kwantowe (ang Quantum Gates)
O autorze
User avatar

Uczeń liceum ogólnokształcącego. Głównie interesuje się robotyką i programowaniem. Oprócz tego jest zaciekawiony fizyką, matematyką oraz lubi nurkować.

Najnowsze artykuły

MDB Youth

MDB Youth to organizacja stworzona przez młodych ludzi, których celem jest wspólna nauka programowania, technologii i przedsiębiorczości.

Dowiedz się więcej i dołącz do nas.

Dołącz do MDB Youth