NEXT 8/2008 - Kwantowa uliczka

Rozwój obecnie używanych komputerów zbliża się powoli do granic technologicznych możliwości i za kilkanaście lat będziemy musieli zastosować zupełnie nowe rozwiązania. Przełomowe mogą się okazać komputery kwantowe.

Nasze racjonalne myślenie zaprogramowane jest na odbieranie rzeczywistości w sposób zero-jedynkowy i trudno nam przyjąć do wiadomości, że coś może się jednocześnie wydarzyć i nie wydarzyć. Trudność w zrozumieniu praw mechaniki kwantowej doskonale obrazuje słynny już eksperyment myślowy fizyka Erwina Schrodingera. Wyobraził on sobie kota zamkniętego w szczelnym pojemniku razem z pojemnikiem śmiertelnie trującego gazu i mechanizmem, który po godzinie może, ale nie musi uwolnić truciznę, skazując biednego kota na niechybną śmierć. Po zakończeniu eksperymentu kot może być już martwy, ale równie dobrze może być wciąż żywy. Póki nie zajrzymy do pudełka, będzie on dla nas potencjalnie i żywy, i martwy. Fakt ten bardzo kłóci się z naszym racjonalnym pojmowaniem rzeczywistości, ale taka właśnie jest fizyka kwantowa.

Stan cząsteczek

Na poziomie atomowym, do którego coraz bardziej zbliża nas rozwój (miniaturyzacja) obecnej technologii produkcji układów obliczeniowych, załamują się znane nam dobrze prawa makroskopowe i do gry wkraczają zjawiska kwantowe. Nie jest tu możliwe dokładne określenie stanu cząsteczek, bo każde badanie wpływa na wynik odczytu. Póki jednak nie dokonamy pomiaru, cząsteczka znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie, co fizyka kwantowa nazywa  superpozycją stanów. To tak jakby tranzystor, z którego składa się typowy procesor, jednocześnie mógł być w stanie 0 i 1 oraz we wszystkich stanach pomiędzy. Co więcej, twórcy komputerów kwantowych przekonują, że właśnie ta cecha sprawia, że mamy do czynienia z potencjalnie potężną maszyną obliczeniową o kilka klas przewyższającą te, które znamy obecnie.

Nieokreślona wydajność

Sposób działania komputera kwantowego zdecydowanie odbiega od tego, do czego przywykliśmy. Tradycyjny komputer wykonuje liniowo obliczenia, bazując na kodzie binarnym, czyli zero-jedynkowym. Krzemowe tranzystory, choć coraz mniejsze i coraz bardziej sprawne, ciągle działają na takiej samej zasadzie. W zależności od doprowadzonego napięcia, bramka logiczna jest otwarta lub zamknięta, co jest równoznaczne z uzyskaniem konkretnego, jednego bitu informacji (0 lub 1). Operując na wielu bramkach jednocześnie, procesor komputera może wykonać w krótkim czasie wiele skomplikowanych działań na liczbach stało- i zmiennoprzecinkowych. Liczba bramek jest jednak ograniczona, a działania wykonywane są liniowo – jedno po drugim. W efekcie wydajność dzisiejszych komputerów, choć ciągle wzrasta, w dalszym stopniu jest niewystarczająca dla wielu bardzo złożonych problemów obliczeniowych, takich jak prognozowanie pogody, symulacje fizyczne, genetyka i opracowywanie nowych leków czy kryptografia. I to właśnie tam komputery kwantowe mają sprawdzić się najlepiej.

Obliczenia kwantowe

W przypadku kwantowej maszyny obliczeniowej nie mamy do czynienia z bitami w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Nośnikami i zarazem układami obliczeniowymi są pojedyncze  cząsteczki elementarne będące w stanie superpozycji, czyli przekładając to na kod binarny, wszędzie w przedziale od 0 do 1. Taki bit niesie ze sobą znacznie więcej informacji i przez naukowców został nazwany 8 kubitem. Pojedynczy kubit sam w sobie jeszcze nie czyni rewolucji, ale już wykorzystanie w obliczeniach jednocześnie wielu kubitów przynosi ogromne możliwości (dodanie tylko jednego kubitu podwaja wydajność całego komputera!). W efekcie, wykorzystując zaledwie kubitów (jeden kubajt), możliwe jest wykonanie jednocześnie wszystkich 256 możliwych operacji zero-jedynkowych, bo wszystkie stany występują tu jednocześnie. Oznacza to, że taka jednostka obliczeniowa za jednym razem wykonuje obliczenia na wszystkich wprowadzonych danych, a im więcej ich wprowadzimy (im więcej kubitów będzie się składać na jednostkę obliczeniową), tym potężniejsze urządzenie otrzymamy. Prawdziwy problem stanowi jednak programowanie i odczytywanie wyników takich równolegle wykonywanych obliczeń.

Ocena:    (aby ocenić, musisz się zalogować w serwisie)

 del.icio.us |  Wykop mnie |  Digg this story |  dodajdo.com

• Komputery na zamówienie »
  dobry pracodawca
• Koniec anonimowości »
  rozpoznawanie twarzy i identyfikacja osób
• Czesko-polskie komputery »
  reportaż z fabryki komputerów
• Inteligentna sieć »
  prawo przemiany ilości w jakość
• Komórki jak komputery »
  3GSM Mobile World Congress