Eksperimentalni kvantni računar kanadske kompanije „D wave systems“
Kvantni računari suračunari koji pri svom funkcionisanju koristekvantna svojstva mikro čestica. Oni se suštinski razlikuju od klasičnih kompjutera kod kojih se informacije bazično predstavljaju u oblikubitova (0 i 1). Kod njih su osnovne jedinice operacijekubiti, koji koriste kvantni fenomensuperpozicije,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 jeŠorov, kvantni algoritam, koji bi mogao biti apsolutno najbrži način zafaktorizaciju brojeva i koji bi bez problema dekriptovao svakuRSA 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 došaoameričkinobelovac ifizičarRičard Fajnman još1982. 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 oblastinauke.
Razvoj modernih kompjutera obeležava izuzetno brz rast brzinekompjuterskih procesora, koji možda i najbolje definiše čuveniMurov zakon, koji je postavio osnivačIntelaGordon Mur1965. godine, a koji predviđa udvostručavanje količinetranzistora 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 aktuelnasilicijumska tehnologijamikroprocesora dolazi do svojih prirodnih i tehničkih granica. Iako je obeležila krucijalan period razvoja računara, sasvim je izvesno da će je uskoro zameniti nove tehnologije.
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 ubinarnom kodu) ili nema struje (0 ubinarnom 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 nekamerenja i ne delujemo spoljašnjom silom na nju. Oni mogu u binarnom sistemu predstavljati u određenom trenutku sve superpozicije stanja 0 i 1.
Uzmimo primer trobitnogregistra kod klasičnog računara, stanje računara, odnosno tranzistora u bilo kom trenutku može biti jedno od, odnosno000; 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 jednaka1, s druge strane kod kvantnih računara kubiti mogu istovremeno biti u više ovih stanja. Dakle, ako stanja kvantnih kompjutera predstavimo sa 8 kompleksnih brojeva onda će njihovi kvadrati zapravo predstavljati verovatnoću za svaku pojedinačnu vrednost, a zbir tih verovatnoća je1, odnosno:
.
Kada bi neki klasični kompjuter izvršavao operacija, teorijski bi sa istim brojem kubitova na kvantnom kompjuteru moglo da se izvrši operacija u istom vremenskom intervalu, odnosno rast kapaciteta i brzine takvog, hipotetičkog kompjutera bi bioeksponencijalni.
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.
Ideja o kvantnim računarima je stvorena još80-ih godinaXX veka i već tada su razne strukture bogatih zemalja uvidele potencijal i ulagale značajan novac u istraživanja, pa su tako na raznim svetskimuniverzitetima i u kompanijama nastajali prototipovi, koji beleže veliki razvoj i napredak. Današnji kvantni kompjuteri su izuzetno osetljivi, sačinjeni od svega nekoliko kubita, ali ipak ueksperimentalnom smislu predstavljaju dokaz o praktičnoj mogućnosti izgradnje ovih inovativnih računara.
Većina današnjih kvantnih kompjutera se koristi natemperaturama bliskimapsolutnoj nuli, zbog specifičnih osobinasuperprovodljivosti, koje se javljaju na tim temperaturama. Veliki napredak se ostvaruje i u kontroli i povezivanju kubita, ali je i dalje problemkvantne 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 udijamantima, koji minimalizuju problem dekoherentnosti.
Verovatno i najveći proboj na ovom polju načinjen je2011. 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 000Džozefsonovih 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 kompanijaLokid Martin, uvidevši njegovu perspektivu, kupila za 10 miliona dolara.
Šorov algoritam predstavlja kvantni algoritam koji je razvio američki matemaričarPiter Šor1994. 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 brojN, za faktorizaciju preko Šorovog algoritma bi bilo neophodno vreme, dok bi za najefikasniji današnji, klasični algoritam (GNFS algoritam) trebalo 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 savremenekriptografske, asimetrične algoritme, koji koriste upravo činjenicu da jemnoženje relativno jednostavna operacija, dok je traženje činilaca iz proizvoda, odnosnofaktorizacija 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.
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 današnji kompjuteri obavljaju prosečno operacija, kvantni kompjuteri bi obavljali prosečno 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.
