Kvantiniai supersmegenys
Lenktynėse dėl kvantinio kompiuterio sukūrimo yra rungiamasi dėl labai didelio prizo: siekiama sukurti skaičiavimo mašiną, kuri sugebėtų modeliuoti pačius sudėtingiausius ir paslaptingiausius visatoje vykstančius procesus greitai ir be ypatingų pastangų, prie kurios šiandieniniai kompiuteriai šalia jos atrodytų kaip seni kuinai.
Kai kurie lenktynių dalyvių pasiekimai jau sugebėjo patraukti plačiosios visuomenės dėmesį. Gal būt jų visų laukia tokios sudėtingos kliūtys ir toks tolimas kelias, kad niekas taip ir nesugebės pasiekti finišo?
Jeigu taip atsitiktų, tai nebūtų pirmas kartas. Prieš keturiasdešimt metų mokslininkai tvirtino galį panaudoti termobranduolinę reakciją ir tokiu būdu gaminti pigią ir ekologiškai švarią elektros energiją. Šiandien iki tokių elektrinių statybos pradžios yra toliau nei kada nors iki tol.
Technologijai peržengus ištirtas mokslo ribas visada tenka stipriai rizikuoti. Niekas nepasakys, kokie neįsivaizduojamai sudėtingi dalykai atsiras jūsų kelyje, kokie nauji fizikos dėsniai užtvers jums kelią į sėkmę. Kvantinius kompiuterius kuriantiems fizikams įveikus dar kelias keblias kliūtis jų svajonės gali labai greitai virsti jiems košmaru. Kodėl, nepaisant visų tų sunkumų, taip stengiamasi sukurti kvantinį kompiuterį? Atsakymas slypi pačioje tokio kompiuterio naudojamos informacijos prigimtyje. Kalbant apie įprastinę informaciją, turima galvoje dvinario kodo vienetai ir nuliai, bet visa tai pasikeičia, kai imamos naudoti kvantinės dalelės. Tada informacija pasidaro keista, nežemiška substancija, nes kvantiniai bitai arba kubitai vienu metu gali būti ir vienetais, ir nuliais. Juos pradedant apdoroti kvantiniame kompiuteryje, gali atsitikti nepaprasti dalykai.
Pažiūrėkime, pavyzdžiui, į elektrono sukinį. Jį galima įsivaizduoti kaip besisukantį krepšinio kamuolį, kurio ašis būna nukreipta aukštyn arba žemyn. Tarkime, kad sukinys „aukštyn“ atitinka „0“, o sukinys „žemyn“ atitinka „1“. Tačiau elektronas gali atsidurti ir tokioje būsenoje, kuri apibūdinama būsenų su sukiniais „aukštyn“ ir „žemyn“, arba „0“ ir „1“, superpozicija. Jeigu tokį elektroną – vaiduoklį panaudosime skaičiuojant, galėsime atsakymą gauti ir „0“, ir „1“. Tai reiškia, kad už tą pačią kainą galėsime atlikti du skaičiavimus. Jeigu vienas kubitas yra dviejų būsenų superpozicija, tai pora kubitų gali būti jau keturių būsenų superpozicija. Tos būsenos gali būti pažymėtos 00, 01, 10 ir 11 (reiškia, kad abu sukiniai nukreipti žemyn, pirmas žemyn, o antras aukštyn, ir taip toliau.) Taigi, turint du kubitus, sistema gali tuo pačiu metu būti vienoje, keliose ar visose keturiose būsenose. Tai leidžia vienu metu atlikti keturis skaičiavimus.
Toliau viskas darosi išties įdomu. Pagal tą pačią logiką, trys kubitai reikš aštuonių būsenų superpoziciją, keturi – 16, penki – 32, ir taip toliau. Toks eksponentiškas augimas reiškia, kad vos su keliais šimtais kubitų įmanoma vienu metu atvaizduoti daugiau skaičių, negu yra atomų visoje Visatoje.
Šalia pasiekusių tokią skaičiavimo galią kvantinių kompiuterių šiandieniniai superkompiuteriai atrodys lyg menki kišeniniai kalkuliatoriai. Kvantiniai kompiuteriai įveiks pačius sudėtingiausius šifrus, išspręs iki šiol neišsprendžiamus uždavinius, o jų apdorojami modeliai bus tokie autentiški, kad juos bus neįmanoma atskirti nuo realybės.
Vienos universiteto fizikas Antonas Zeilingeris įsitikinęs, jog tai yra tik pradžia: „pasižiūrėkime, kam pradžioje buvo naudojami įprastiniai kompiuteriai ir kokiose srityse jie yra naudojami šiandien. Niekas tuomet to negalėjo net įsivaizduoti“. Būtent dėl to, kas pirmas sukurs kvantinį kompiuterį lenktyniauja viso pasaulio fizikai, kuriuos ragina skubėti nervingos vyriausybės, kompiuterių galios ištroškę kariškiai ir apie pelnus svajojančios kompanijos. Tačiau kvantinio kompiuterio sukūrimas yra ryžtą smukdanti užduotis. Informacijai saugoti naudojamos kvantinės būsenos yra labai trapios: pakanka tik žvilgtelėti į superpoziciją – ir ji iškart virsta viena paprasta būsena. Tai reiškia, kad pats skaičiavimo rezultato perskaitymas yra labai keblus dalykas, o kvantinio kompiuterio programos turės būti kiek įmanoma paprastesnės.
Sąveika su aplinka taip pat suardo kvantines būsenas – ši problema yra vadinama dekoherentiškumu. Todėl kubitai privalo likti izoliuoti vienas nuo kito. Kita vertus, jie turi kažkaip sąveikauti vienas su kitu, nes kompiuteris logikos operacijas galės atlikti tiktai derindamas kubitus tarpusavyje.
Yra du operacijos būdai, iš kurių galima išvesti visas kitas operacijas. Pirmuoju operacijos būdu pavienis kubitas apverčiamas: jeigu jo superpozicija sudaryta iš labai mažos dalies „0“ ir didžiosios dalies „1“, jo didžiausią dalį sudarys „0“ ir truputį „1“. Tai, pavyzdžiui, galima padaryti praleidžiant elektronus per magnetinį lauką, apverčiantį jų sukinius. Antroji operacija yra atliekama valdomos NOT arba CNOT (controlable NOT) užtūros, kurios vieną kubitą verčia į kitą priklausomai nuo to, kokia yra kito kubito būsena. Tam, kad tai įvyktų, kubitas turi kažkaip jausti kito kubito buvimą ir sugebėti jį paveikti. Kvantinis kompiuteris turi sugebėti šitokiu būdu manipuliuoti
daugybe kubitų, kurių kiekvienas turi būti apsaugotas nuo dekoherentiškumo ir sugebėti sąveikauti su visais kitais kubitais. Tai nėra paprasta.
Dar dešimtojo dešimtmečio viduryje mokslininkai atrado kaip tai galima padaryti. Pasitelkus pradžioje medicinai kurtą technologiją, vadinama branduolio magnetiniu rezonansu (BMR), informaciją galima saugoti giliai molekulėse (jų atomų branduolių sukiniuose). Branduolio sukinių privalumas yra tas, kad jie yra beveik visiškai atkirsti nuo aplinkos – jie beveik nesąveikauja su savo aplinka. Kadangi besisukantys branduoliai veikia kaip mažyčiai magnetukai, jų būsenas galima valdyti naudojant magnetinius laukus arba radijo bangų elektromagnetinius laukus. Stipriame magnetiniame lauke jų sukiniai ima vinguriuoti šiek tiek skirtingais dažniais priklausomai nuo cheminės branduolio aplinkos. Radijo bangomis, kurios yra suderintos atitinkamai rezonansiniam dažniui, užkabinus molekulę galima atskirai paveikti kiekvieną joje esantį branduolį.