Korak bliže kvantnom računaru

Istraživači u Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST) načinili su nedavno krupan korak ka ostvarenju kvantnih kompjutera. Izveli su, naime, višestruka izračunavanja s kvantnim bitovima (qubits).

A šta su to kvantni bitovi?

Isto što i bitovi u današnjim elektronskim računarima, glasio bi najkraći odgovor. Bit (binary digit) je najmanja jedinica informacije, a izražava se „jedinicom” (1) ili „nulom” (0) u binarnom broju (istinito ili neistinito u logičkom stanju).

Kvantni bitovi se, inače, temelje na odlikama četiri subatomske čestice – fotona, elektrona, atoma i jona – od kojih je potonja najpoželjnija. Fotoni ne utiču na druge čestice, najbrže (i najlakše) putuju, zato su podesni za prenosioce informacija. Ostale tri su podložne međusobnom delovanju (interakcija), otuda su pogodne za čuvanje i obradu podataka.

Ukoliko se ovlada baratanjem pojedinačnim atomima ili jonima – višestruko sićušnijim od sadašnjih tranzistora i naprednijim od postojećih mikročipova, znatno moćniji kvantni računari neće biti samo zavetni cilj armije naučnika i stručnjaka širom sveta. Sadašnje mašine su nekoliko hiljada puta brže i desetinama puta manje od prvih čudovišta sa elektronskim cevima, teških 30 tona, koja su ispunjavala oveću prostoriju. U proteklih 50 godina maltene nije promenjeno načelo na kojem su utemeljene.

Tri stanja istovremeno

Kvantne računaljke su nešto sasvim drugo: tajna je skrivena u gotovo magičnom svojstvu golim okom nevidljivih čestica, mikronske veličine (hiljaditi deo milimetra), da istovremeno budu u dva i više stanja.

Obično integrisano kolo skladišti podatke zahvaljujući tranzistorima koji prelaze iz jednog u drugo stanje (i obratno) – uljučeno ili isključeno. Kvantno kolo može da predstavlja u isti mah najmanje tri stanja: uključeno, isključeno i oboje zajedno (nešto između), što se naziva kvantnom superpozicijom. Drugim rečima, upisuje se kudikamo više podataka (informacija) na svakom kolu. Kako to izgleda?

Posmatrate li našu planetu, možete dočarati severni pol kao uključen, a južni kao isključen. I šta imate: današnje mikroprocesore ili računare. Ukoliko se dosetite da iz središta usmerite strelu ka jednom ili drugom polu, imaćete i treće stanje ili kvantni računar. Dakle, možete smestiti više podataka u jednom kvantnom bitu.

Postojeće memorije su, nema sumnje, skladišta u koja je ubačeno mnoštvo podataka, izraženih u vidu „jedinica” i „nula” (binarni brojevi) ili uključenih i isključenih tranzistora. Obilje tranzistora je potrebno da bi se upamtilo mnoštvo binarnih brojeva, otuda postojeći računari imaju toliko velika skladišta. Da biste, na primer, upamtili broj 256 (a to je u binarnom vidu – 11111111), neophodno je osam bitova i još jedan za moguću grešku. A maločas pomenuta strela isto iskazuje, zavisi kuda je usmerite: 256 ili neki drugi broj. Jednostavno rečeno: jedan kvantni bit sačuva više podataka nego hiljade tranzistora!

Zgusnuto upisivanje omogućuje drugu važnu prednost – brzinu. Umesto da pristupate mnogim memorijama na različitim mestima, vi pretražujete takoreći trenutno.

I treće preimućstvo predstavlja – preplitanje ili „tajnu vezu” dveju kvantnih čestica koje deluju jedna na drugu: ukoliko se jedna menja, istog časa se menja i druga. Čak i ako se ne dodiruju! A ni razdaljina nema velikog uticaja. To neobično svojstvo još nije potpuno razjašnjeno, ali će učiniti da kvantni računari jedni sa drugima „ćaskaju” bez imalo kašnjenja, pa i kad su veoma udaljeni!

Opasno zagrevanje

Američki naučnici su skladištili jone berilijuma u tzv. jonskim klopkama koristeći laserski snop da nadgledaju u kojem su elektronskom stanju. A ova elektronska stanja i međusobno delovanje određivala su kvantno računanje koje je izvodila mašina.

Minulih nekoliko decenija postojano se napredovalo ka kvantnim računarima, najčešće u čuvanju kvantnih podataka ili izvođenju logičkih radnji (operacija) s kvantnim bitovima. U NIST-u su, međutim, načinilo nekoliko krupnih koraka istovremeno: uveli su jone u željeno stanje, ubacili unutra kvantne bitove, preneli poruku (informaciju) s jednog na drugo mesto i, naposletku, pojedinačno su pročitali svaku od tih najmanjih jedinica. Najvažnije od svega jeste da su sve to uradili jedno za drugim u istom ogledu.

Sadašnji domet je pet logičkih i deset prenosnih radnji u nizu, s obzirom da joni očas mogu da se rasture. U međuvremenu su iskrsle još dve nevolje. Prva je da se postojeće subatomske čestice zagreju posle svake radnje, zato što su izložene laserskim zracima, pa su istraživači morali da dodaju magnezijum. A druga je da se očuvaju na okupu, uprkos delovanju magnetnog polja.

U postojećim jonskim zamkama može se barati s najviše deset kvantnih bitova, a da bi se nadigrali uobičajeni računari nužno je utrostručiti zbir, čak i premašiti utrostručenje, što se može dostići u sledećih desetak godina. Ujedno je neophodno poboljšati tačnost (pouzdanost) obavljanja radnji sa sadašnjih 94 na 99,99 odsto.

U čemu će se kvantni razlikovati od postojećih računara?

Svejedno gde se nalazite, možda i na drugom kraju planete, imaćete trenutni pristup podacima. I ogromnu računarsku snagu na raspolaganju, čime se danas mogu pohvaliti retki vlasnici superračunara, koji nisu u stanju da zadovoljavajuće dočaraju klimu, oponašaju veštačku inteligenciju ili razbijaju zaštićene šifre.