Czy kluczem do postępu jest komputer kwantowy?

Do przetwarzania informacji urządzenia elektroniczne wykorzystują ładunek elektronu albo poziom natężenia światła (tak jest w przypadku światłowodów). Nie ma w tym niczego złego, tyle że już niebawem możemy napotkać pewne trudności w dalszym rozwoju takich właśnie rozwiązań. Procesory, jak wszyscy wiemy, z roku na rok stają się mniejsze i wydajniejsze, a zgodnie z prawem Moore'a, liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co dwa lata, a więc i moc obliczeniowa procesorów.

Skoro wiemy już, że zależy nam na upychaniu regularnie przybywających elementów, to za wyznacznik zaawansowania technologicznego posłuży nam minimalna długość kanału tranzystora, którą podaje się w nanometrach (nm). W latach dziewięćdziesiątych, technologia stała na poziomie 500nm, dziś jest to już zdecydowanie poniżej 100nm. Pamiętajmy, że nanometr to jedna milionowa milimetra i przy pewnych wielkościach zbliżamy się już do świata fizyki kwantowej. No tak, tylko jakie to ma znaczenie dla działania komputerów? Przede wszystkim świat w skali mikro zaczyna rządzić się zupełnie innymi prawami, a Cypher z Matrixa ująłby to tak: "...zapnij pasy, Dorotko, i pożegnaj się z Kansas". Tutaj nic nie jest takie, jak sugerowałaby nam to nasza intuicja i nawyki związane z otaczającym nas światem.

Przykładowo, jesteśmy przyzwyczajeni do koncepcji przeszłości jako określonego ciągu wydarzeń, który ma tylko jedną wersję. Możemy skutecznie dojść do tego jak wyglądała przeszłość, jeśli mamy wystarczającą ilość informacji - to bardzo klasyczne rozumowanie. W świecie kwantowym przeszłość pozostaje nieokreślona, jest to tylko zbiór prawdopodobnych możliwości, a dokonywane przez nas obserwacje mające miejsce w teraźniejszości, wpływają na przeszłość oraz przyszłość. Potwierdzono doświadczalnie, że jeżeli jakaś pojedyncza cząsteczka się porusza, to nie będzie to tak, jak w przypadku kopniętej przez piłkarza piłki - rozpocznie swoją drogę od punktu A, po czym zakończy ją w punkcie B. Taka pojedyncza cząsteczka o wielkości atomu, w jednej chwili obiera wszystkie możliwe drogi do punktu B. Nie istnieje tylko w jednym miejscu, czy też nie pokonuje tylko jednej drogi do punktu B. Zamiast tego, istnieje ona w jednej chwili we wszystkich możliwych miejscach i przebywa wszystkie możliwe drogi. Natomiast w momencie kiedy ktoś ją zaobserwuje, po prostu "wybierze" najbardziej prawdopodobną drogę, tym samym zmieniając swoją przeszłość. Dowodzi to, że poprzez obserwowanie wpływamy na otaczający nas wszechświat, który nie ma tylko jednej możliwej historii. To wszystko brzmi dość abstrakcyjnie, lecz właśnie takie są prawa rządzące światem w skali kwantowej, co zostało wiele razy potwierdzone w eksperymentach i jest aktualnie wykorzystywane przez fizyków kwantowych.

Wróćmy jednak do dzisiejszych procesorów. Wielkości współczesnych tranzystorów pokonują już barierę fizyki klasycznej, ponieważ ich rozmiary zaczynają nas wciągać do skali fizyki kwantowej. Pierwszy najmniejszy tranzystor na świecie został zbudowany z pojedynczego atomu fosforu. Otworzyło to drogę do komputerów kwantowych, które zamiast tradycyjnych bitów, mogą wykorzystywać bity kwantowe. Jedyną wadą takiego jedno atomowego tranzystora, jest koniecznośc utrzymywania go w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Nie dość że ciężko zachować tyle stopni w pokoju, to w dodatku zwyczajnie cię to zabije :(

Aktualnie w temat bawią się na przykład Google i NASA. Za jedyne $15 milionów, zafundowali sobie D-Wave Two, który nie jest komputerem kwantowym w klasycznym rozumieniu tego słowa, ponieważ utrzymywanie bitów kwantowych w ich kwantowym stanie, przysparza sporo trudności. Jednak dochodzi tu do efektu tunelowania kwantowego i jest możliwość wykonywania wszystkich obliczeń danego problemu naraz, zamiast podchodzić do nich po kolei. Dlatego niektóre problemy D-Wave Two rozwiązuje w sekundę, podczas kiedy tradycyjne procesory robią to w pół godziny. Podstawowa różnica jest taka, że zwykłe komputery pracują w systemie zero-jedynkowym, do czego służą im bity, które mają możliwość znajdowania się w stanie aktywnym (1) lub nieaktywnym (0). Natomiast bity kwantowe, czy też kubity, mogą w jednej chwili być zarówno aktywne, nieaktywne, jak i znajdować się w stanie pośrednim. Dzięki temu uzyskuje się wydajność ponad 3600 razy większą od zwykłych komputerów. Ale nie zawsze. W niektórych sytuacjach procesor bazujący na bitach, który jedynie symuluje algorytmy naśladujące działanie kubitów, uzyskuje podobne wyniki co procesor kwantowy. Nie zmienia to faktu, że w pewnych określonych rodzajach obliczeń D-Wave Two jest nie do pokonania.

Dodam jeszcze, że uwielbiane przez cały świat NSA (National Security Agency), pracuje nad zbudowaniem albo już zbudowało komputer kwantowy, który ma im umożliwić złamanie każdego szyfru, jakim ktoś mógłby się posłużyć w celu uzyskania odrobiny prywatności. Szacowane środki, które będą przeznaczone na uzyskanie tego efektu to $80 milionów.