Kvantu nākotne

Iespējams, ka daudzi mūsdienu datorlietotāji ir pieraduši pie datortehnikas nemitīgās un straujās attīstības: cieto disku kapacitāte palielinās, parādās jauni procesori ar augstākām takts frekvencēm, operatīvās atmiņas čipi kļūst ar vien ietilpīgāki un ātrāki. Bet ne katrs apzinās, ka tas nevar turpināties mūžīgi. Jā, ir iespējams palielināt ieraksta blīvumu cietajos diskos, ir iespējams samazināt tranzistoru izmērus procesorā, bet kādreiz tas viss atdursies pret robežām, kuras nosaka fizikas likumi. Piemēram, tranzistora diametrs nekādīgi nevar būt mazāks par ūdeņraža atomu ( 10^(-8) cm), bet takts frekvence nevar pārsniegt atomu kustības ātrumus. Protams, līdz šīm robežām vēl ir ļoti, ļoti tālu, bet tas ir tikai šķietams mierinājums.
Mūsdienu datoru galvenās problēmas nav tik daudz saistītas ar to tehniskajiem parametriem kā ar to darbības principiem. Gandrīz jebkura programma izpilda kādu darbību secību, kuru pamatā ir „kāda bita paņemšana un pārlikšana citā vietā”. Uzdevumi, kuros šo procesu nu nekādīgi nevar paātrināt, praksē ir sastopami ļoti bieži.

[b]Pirmskaitļi…[/b]
Dažu mūsdienu kriptogrāfisku sistēmu pamatā ir skaitļa sadalīšana pirmreizinātājos. Tas ir ilgs process. Nepieminot izmantoto algoritmu detaļas un matemātiskos aprēķinus, varētu teikt, ka, ja eksistētu kāds algoritms, kurš spētu ātri tikt galā ar šo uzdevumu, piemēram, dažu nedēļu laikā, tad slepenība kā tāda pārstātu eksistēt. Bet iemesla uztraukties nav – lai atrastu skaitļa pirmreizinātājus mūsdienās izmanto pilnās pārlases metodi, dotais skaitlis tiek dalīts ar skaitļiem, kuri ir par to mazāki. Jā, šo procesu var optimizēt, bet kā faktu var minēt, ka, piemēram, lai sadalītu skaitli, kas sastāv no 34 cipariem, divos pirmreizinātājos, būs nepieciešams 1 gads. Ja skaitlis sastāvēs no 60 cipariem, būs nepieciešamas 10^17 sekundes, un tas ir vairāk nekā Visuma vecums (pēc zinātnieku uzskatiem). Bet, ja paņemt vēl 2 reizes garāku skaitli, tad var būt pārliecinātam, ka pat visi pasaules datori kopā netiks galā ar šo uzdevumu. Līdz ko tie kļūs par kvantu datoriem…

[b]… un neparastie kvanti[/b]
Bits, kā zināms, var atrasties vienā no diviem stāvokļiem – 1 vai 0. Kvantu bits jeb kubits principā atrodas divos stāvokļos reizē. Kubits vienlaicīgi ir gan 1, gan 0, tiklīdz tā vērtība tiks nolasīta. Lai arī cik dīvaini tas nešķistu, šādi likumi darbojas elementārdaļiņu – kvantu pasaulē. Lai labāk saprastu kvantu īpatnējo stāvokli, tiek pieminēts tā saucamais piemērs par „Šrēdingera kaķi”, kura doma ir sekojoša (neviens kaķis nav cietis 🙂 ) : aizvērtā kastē atrodas kaķis, trauks ar indīgu gāzi un kāds mehānisms, kas satur radioaktīvu lodi. Ja lode sabruks, mehānisms atvērs trauku un kaķis nomirs no gāzes. Pastāv 50 % iespējamība, ka tas notiks stundas laikā. Pēc stundas kaste tiek atvērta un, protams, ir iespējami divi iznākumi – kaķis ir dzīvs vai kaķis ir miris. Līdz tam brīdim kaķis atrodas tā saucamajā stāvokļu superpozīcijā, t.i., viņs nav nedz dzīvs, nedz miris. Bet pēc kastes atvēršanas, kaķis pieņem vienu, konkrētu stāvokli. Apmēram tāpat arī var uztvert kvantu bitu.

Bet kubits pats par sevi nav nekas vairāk kā vien interesanta daļiņa. Lai sasniegtu reālus rezultātus, kubitus būtu jāapvieno kādās virknēs, kā, piemēram, bitus – baitos. Pie tam, tādā veidā izpaudīsies vēl viena interesanta un noderīga kvantu mehānikas parādība – kubiti tiks sasaistīti viens ar otru un, mainoties viena kubita vērtībai, mainīsies arī pārējo vērtības. Tas varētu manāmi uzlabot jebkuru mūsdienu algoritmu, kur jāstrādā ar katru bitu atsevišķi. Kā arī, zinot viena kubita vērtību, būs zināmas arī pārējo, ar to saistīto kubitu vērtības.
Kā piemēru var minēt šādu situāciju: iedomāsimies, ka esam pazaudējuši istabā divus kubiņus – vienu sarkanu, otru zaļu. Apzīmēsim ar burtu A to kubiņu, kuru atradīsim pirmo, bet otro – ar burtu B. Uzsākot meklēšanu, mēs nezinām nedz A krāsu, nedz B krāsu – tie abi ir gan sarkani, gan zaļi vienlaicīgi. Bet tiklīdz atrodam A, un, teiksim, tas izrādās sarkans, tad uzreiz, neturpinot meklēšanu, varam pateikt kādā krāsā ir B – zaļš.
Vēl viens interesants piemērs: iedomāsimies, ka vairākas kameras dažādos leņķos filmē vienu un to pašu akvāriju ar zivtiņām. Abās kamerās zivis peldot kustēsies sinhroni. Ja nezināt, ka tiek filmēts viens un tas pats objekts, situācija var šķist diezgan dīvaina… Tad varbūt arī savā starpā saistītie kubiti ir kāda mums nezināma objekta „atspulgs”?
Atbildēt uz šo jautājumu zinātne pagaidām nav spējīga. Tāpat kā novērtēt kvantu pasaules likumu lietderīgumu „lielo lietu” pasaulē vai makro pasaulē. Kāds, stāstot par kvantiem un ar tiem saistītajiem brīnumiem, saka apmēram tā: „Sagatavojaties, tūlīt jūs uzzināsiet kaut ko ļoti dīvainu, kas ir aktuāls tikai mikro daļiņu pasaulē”. Kāds cits teiks, ka mēs, cilvēki, jau kopš bērnības neesam nemaz pieraduši meklēt līdzīgas saistības, un mēģinās ar kvantu saistības parādību un superpozīcijām skaidrot tādas lietas, kā telepātiju, NLO un daudz ko citu. Mēs nelemsim, kuriem ir taisnība, bet agri vai vēlu laiks visu izdarīs.

[b]Kā darbosies kvantu dators?[/b]
Kvantu datora darbības pamatprincips ir tāds, ka tas operē ar kubitiem, kuri atrodas vēl „nenoteiktajā” stāvoklī. Kā arī viena kubita vērtības izmainīšanās ietekmēs citus saistītos kubitus. Kad algoritms būs beidzis savu darbību, sistēma atradīsies visos iespējamajos stāvokļos vienlaicīgi (kaķis gan dzīvs, gan miris vienlaicīgi). Bet atliks tikai „atvērt vāku”, nolasīt vajadzīgās vērtības, un tiks iegūts viens, noteikts rezultāts. Pastāv arī pretēja operācija – sistēma no konkrēta stāvokļa atkal atgriežas visos iespējamajos stāvokļos.

[b]Programmas jau tiek rakstītas![/b]
Pilnvērtīgi kvantu datori nepastāvēs vēl ļoti ilgu laiku, bet toties algoritmi tiem jau tiek rakstīti. Vienu no tiem ir izdevies realizēt, tas ir tā saucamais Šora algoritms un tas kalpo skaitļa sadalīšanai pirmreizinātājos. 2001. gadā kompānijai IBM, izmantojot datoru, kas sastāv no 7 kubitiem, ir izdevies sadalīt pirmreizinātājos skaitli 15 – tika iegūts rezultāts 3 un 5. 2007. gadā Kanādas kompānija D-Wave nodemonstrēja 16 kubitu kvantu datoru, kas spēja tikt galā ar Sudoku mīklu. Katra jauna kubita pievienošana tāda veida datoram ir zinātniskā sensācija, bet visa pamatā ir fizika. Neiedziļināsimies detaļās un sīkumos, bet pagaidām pastāv ļoti daudz problēmu, kas stājas pretīm pilnvērtīga kvantu datora izveidošanai. Šo problēmu ir tik daudz, ka ik pa laikam viens otrs zinātnieks pasludina, ka kvantu dators nekad netiks radīts. Un viņus var saprast.

[b]Kompānijas D-Wave radītais 16 kubitu kvantu dators[/b]
[img=/images/upload/quantum-computer-1.jpg]D-Wave kvantu dators[/img]

Atrast kādu būtību, ar kuru varētu viegli manipulēt un kura spētu mijiedarboties ar citām daļiņām, praksē izrādās ir diezgan sarežģīti. Ja kvantu datoru būvēt uz joniem, tos varēs kontrolēt atsevišķi, bet saistīt kopā nebūs viegli. Ja izmantot magnētisko lauku, tad varēs panākt gan vienu, gan otru, bet šādas sistēmas veiksmīgai darbībai ir nepieciešama temperatūra, kas ir tuva absolūtai nullei. Turklāt, neviens nevar garantēt, ka kvantu dators strādās pareizi, ja apkārtējās vides temperatūra izmainīsies par grāda pāris desmitdaļām vai arī, ja datoru izkustinās par dažiem milimetriem. Nemaz nerunājot par šādu tehnoloģiju astronomiskajām izmaksām, kaut gan, ja lieta nonāks reālā pielietojumā, cenas kritīsies.

Tomēr, pats svarīgākais ir kas cits. Parastais mūsdienu dators zemākajā līmenī sastāv no loģiskiem elementiem. Piemēram, uz loģiskā elementa divām ieejām tiek padotas nulles vai vieninieki, bet izejā parādās no tiem maksimālā vērtība. Kvantu datoram arī būs nepieciešami šādi pamat elementi, bet, protams, tiem būs jādarbojas pēc pavisam citiem, pagaidām nezināmajiem principiem. Nevienam vēl nav izdevies izdomāt bloku, kurā ieietu divi atsevišķi kvanti, bet izietu šie paši kvanti tikai sasaistīti kopā. Pagaidām zinātnieki ir spējīgi tikai sasaistīt divas daļiņas, kuras atrodas metra attālumā viena no otras, pie tam šādas sasaistīšanas veiksmīga rezultāta varbūtība ir viens pret miljardu.

[b]Secinājumi[/b]
Jā, „pilnvērtīgākais” mūsdienu kvantu dators sadala skaitli 15 pirmreizinātājos ilgāk nekā parastais dators. Pagaidām nav izgudrotas visas kvantu procesora atomārās sastāvdaļas, pavisam nav skaidrs, no kā tas ir „jābūvē”. Pie tam, iespējams taisnība ir to cilvēku pusē, kas apgalvo, ka kaut kā līdzīga izveidošana nav reāla.
Ja tomēr kvantu dators kādreiz tiks izgudrots, nebūs nekādu problēmu atrast tam pielietojumu vai arī sagribēt kaut ko vēl vairāku. Un tad, līdzīgi kā parastos PC, izmest kvantu datorus vēstures izgāztuvē, nomainot tos ar kaut ko vēl revolucionārāku.

[i]Avots – žurnāls [url=http://www.times.lv/]Digital Times[/url][/i]
[img]/images/upload/digitaltimes_logo.jpg[/img]
[i]Raksta autors – Алексей Тарасов
Tulkojis no krievu valodas – bombtrack.[/i]
[i]Papildus informācija no
[url=http://computer.howstuffworks.com/question475.htm]How Stuff Works[/url]
Bildes no
http://ocw.u-tokyo.ac.jp/english/course-list/engineering/quantum-mechanics-II-2005/
http://computer.howstuffworks.com/quantum-computer2.htm
[/i]

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta. Obligātie lauki ir atzīmēti kā *

Datuve.lv – IT un Tehnoloģiju ziņas || Copyright © 2004-2020 || Kontaktinformācija: info@datuve.lv  || Contact Us