Računalo budućnosti

This is the HTML version on my article published in Tjednik, 1998;55:54-5

Piše: Dr.sc. Zdenko Franić
franic@imi.hr


Fizičari Neil Gershenfeld iz Massachussets Institute of Technology i Isaac Chuang iz Los Alamos National Laboratory već desetljećima nisu osjetili takvo oduševljenje i osjećaj uspjeha nakon što su točno zbrojili dva broja. Naravno, niti su to učinili napamet, niti su se poslužili dječjim trikom da prebroje odgovarajući broj prstiju. Oni su izumili kvantno računalo. Još prošloga ožujka, njih su dvojica demonstrirali takvu napravu koja je zbrojivši jedan plus jedan kao rezultat dobila dva. No, već potkraj prošle godine njihovo je računalo moglo po zadanome kriteriju izabrati jedan od ponuđena četiri broja. Iako je to još daleko od Pentiuma, radi se o neobično važnom prvom koraku. Subatomski svijet kvantne mehanike u kojem čestice nisu kruta tijela nego ne-fizičarima teško shvatljivi "oblaci vjerojatnosti" može izgledati neintuitivan, čak i nelogičan. Jedan od najvećih fizičara XX. stoljeća, nobelovac Richard Feynman , jednom je rekao kako smatra da nitko ne razumije kvantnu mehaniku, te da se o toj teoriji jedino može reći da je - ispravna. Ipak, još prije dvadesetak godina dok je revolucija silicijskih računala tek započinjala, Feynman i još neki znastvenici su razmišljali kako čudne, laicima bizarne zakone kvantne mehanike iskoristiti za konstrukciju radikalno novih vrsta računala.

Današna računala zbog prirode elektroničkih komponenti podatke predstavljaju nizovima jedinica i nula, što pak odgovara električnim nabojima u elektroničkim krugovima. Kvantna računala umjesto elektroničkih krugova rabe čestice, npr. atome, a podaci se predstavljaju kvantnim stanjima kao što su orijentacija spina (unutarnji zakretni moment) kod elektrona ili orijentacija polarizacije kod fotona. Godine 1985. David Deutsch sa Sveučilišta u Oxfordu ukazao je da kvantnomehanički zakoni dopuštaju da neka čestica u hipotetičkom kvantnom računalu nosi više od jednog bita informacija. Riječ "bit" je skraćenica izraza binary digit (binarni broj), te označava broj u binarnom zapisu (0 ili 1), koji pak odgovara jednoj informaciji. Kod kvantnih računala se stoga govori o kvantnim bitima, odnosno qubitima. Računalo sa svega sto čestica bi stoga moglo izvršavati operacije sa čak 2 100 brojeva odjednom!

No, glavni izazov pri realizaciji takvog računala jest "nadmudriti" princip neodređenosti, jednu od najbizarnijih premisa kvantne teorije, koja podjednako fascinira fizičare i filozofe. Princip neodređenosti postavio je je još 1927. godine Werner Heisenberg, jedan od utemeljitelja kvantne mehanike. Taj princip utvrđuje granice eksperimentalnog istraživanja subatomskih pojava, budući da je nemoguće istovremeno točno određivanje položaja i brzine (momenta) elementarnih čestica. Pojednostavljeno, samim činom promatranja, promatrač utječe na promatranu realnost. Grupa izraelskih fizičara je u radu tiskanom u časopisu Nature (26 veljača 1998) čak dokazala da se kontroliranjem svojstava "kvantnog promatrača" kontrolira i njegov utjecaj na ponašanje kvantnog sustava.

Potrebno je dakle pronaći način kako u kvantnomehaničkom računalu "pročitati" podatke te ih potom procesirati, bez da se utječe na njihova kvantna stanja. Odnosno, qubiti moraju simultano biti zaštićeni od okoliša (promatrača) kako bi se sačuvala njihova kvantna stanja, ali istovremeno moraju biti i povezani s okolišem (podvrgnuti promatranju) kako bi se primijenili početni uvjeti, izvršili proračuni i isčitali rezultati. U praksi se stoga pri realizaciji kvantnih računala pojavljuju ogromne teškoće. Gershenfeld i Chuang su problemu pristupili na nov način, te su umjesto da pokušaju pažljivo izolirati mali broj qubita rabili velike termalne sustave (s barem 1023 čestica ili molekula), kakav primjerice predstavlja šalica kave. U takvom sustavu čestice ili molekule nasumično se gibaju u svim smjerovima. No, kada sustav bude izložen radio pulsevima dolazi do fenomena nuklearne magnetske rezonancije (NMR). Odnosno, dolazi do odstupanja od ravnotežnog stanja (ekvilibrija), sustav postaje djelomično "uređen", te dio čestica poprima određenu prostornu orijentaciju. I baš je ta orijentacija traženi signal, odnosno jedan qubit. Srce "računala" kojeg su konstruirala dvojica fizičara naravno nije bila kava, već mala količina (doslovce "prstohvat") organskog spoja alanin, jedne od aminokiselina. Molekula alanina može sadržavati čak tri qubita, jer se svaki od njena tri ugljikova atoma pobuđuje različitom NMR frekvencijom. No, u ovom su slučaju za zbrajanje dvaju brojeva uporabljena samo dva ugljikova atoma iz molekule. Ti su atomi dakle bili hardver kvantnog računala, dok je programska podrška, softver, bio radio-puls kojim su atomi pobuđivani. Svaki puls promijenio je orijentaciju spina samo jednog atoma ugljika u paru ("mete"). Ta je promjena ovisila o trajanju pulsa te o orijentaciji drugog ugljikovog atoma ("kontrolni atom"). Nakon izvršenja programa (prestanka pulsa) na izlaznoj jedinici, u ovom slučaju NMR spektrometru, očitan je rezultirajući spin promatranog para ugljikovih atoma, odnosno rješenje algebarskog izraza 1+1.

Veliki potencijal kvantnih računala leži u činjenici da su teorijski sposobna izvršavati ogroman broj istovremenih proračuna. No, kako bi se taj potencijal iskoristio, potrebno je pronaći pogodnu molekulu koja bi mogla dati veći broj qubita. S desetak qubita, kaže Chuang kvantno bi računalo nadmašilo sposobnosti većine predškolske djece, te bi već moglo množiti jednoznamenkaste brojeve. Za nešto zaista korisno, npr. faktoriziranje brojeva bili bi potrebni deseci tisuća qubita. Tada bi se kvantna računala mogla pozabaviti i problemima iz svog vlastitog svijeta, te simulirati druge kvantno-mehaničke probleme kao što je npr. ponašanje kvarkova u atomskim jezgrama. I dok danas neki filozofi predviđaju "kraj znanosti" smatrajući da su sva važna otkrića već učinjena, dva kamena temeljca suvremene fizike, kvantna mehanika i Einsteinova opća teorija relativnosti međusobno su inkompatibilna. Dok se opća relativnost ne podvrgava kvantnim zakonima koji opisuju svijet elementarnih čestica, na drugom kraju svemirske skale crne rupe predstavljaju izazov i samim temeljima kvantne mehanike. Paradoksalno, možda će jednoga dana izuzetno moćne procesorske mogućnosti kvantnih računala znanstvenicima pomoći pri formuliranju jedinstvene teorije koja će ujediniti gravitaciju s kvantnom mehanikom.


Assembly


Crooked Line

Last Update: 7 April 1998.

[ http://mimi.imi.hr/~franic]

Webtechs Cougar Checked
Webtechs Cougar Checked!

However, please note there are some non SGML characters in text