Šį mėnesį paskelbta, kad kvantinis kompiuteris pademonstravo „kvantinį pranašumą“ ir savo sparta lenkia sparčiausius pasaulyje įprastus kompiuterius. Sparta kompiuteriai lenktyniavo nuolatos, tačiau teigiama, kad šį kartą kvantinis kompiuteris padarė tai, ko įprastas nesugebėtų. Kokie dėsniai galioja kvantiniame pasaulyje?
Šį mėnesį paskelbta, kad kvantinis kompiuteris pademonstravo „kvantinį pranašumą“ ir savo sparta lenkia sparčiausius pasaulyje įprastus kompiuterius. Sparta kompiuteriai lenktyniavo nuolatos, tačiau teigiama, kad šį kartą kvantinis kompiuteris padarė tai, ko įprastas nesugebėtų. Kokie dėsniai galioja kvantiniame pasaulyje? Ar jame galime teleportuoti daiktus, o įprastą nuliukų ir vienetukų sistemą tikrai greitai reiks užmiršti?
Asociatyvi nuotr.
„Sveikas protas“ – bevertis
Paprastam žmogui kvantinės fizikos pasaulis yra gana miglotas, nors nusakyti šios fizikos srities esmę stebėtinai paprasta. Tai mokslas apie atomų ir įvairių subatominių dalelių elgesį. Plika akimi matomi objektai elgiasi taip, kaip mums atrodo įprasta, nuspėjama, intuityvu, tačiau, jeigu pažvelgsime į labai mažas kvantinio pasaulio daleles, intuicija, racionalumas ir „sveikas protas“ tampa beverčiais.
Garsus Nobelio premijos laureatas Nielsas Bohras tvirtino: „Jeigu kas nors rimtu veidu gali pasakyti, jog jis supranta kvantinę teoriją, tai tik parodo, kad jis apie ją nesuprato visiškai nieko“.
Galbūt vienas iš keisčiausių reiškinių, galinčių vykti subatominiame lygyje yra tai, kad objektai (elektronai ar fotonai) tuo pačiu metu gali būti dvejose skirtingose vietose, arba dvejų skirtingų būsenų. Tai vadinama kvantine superpozicija.
Superpozicijoje esanti dalelė vienu metu yra kelių būsenų. Pavyzdžiui, vienu metu gali turėti dvejetaines reikšmes 0 ir 1. Norėdami tai geriau suprasti, įsivaizduokite monetą: jai greitai sukantis, vienu metu galite matyti tiek jos aversą, tiek reversą.
Vis dėlto šios keistenybės mums stebėti nepavyks, nes dviejose vietose (ar dviejų būsenų) esantys objektai, vos pamėginus juos pamatuoti, pasirodo besantys tik vienoje vietoje arba tik vienos būsenos. Mokslininkai atliko eksperimentus, kurie patvirtino, jog toks keistas dalelių elgesys yra tikras, nors matuodami gauname kitokius rezultatus.
Dar vienas gluminantis reiškinys yra vadinamas kvantiniu tuneliavimu. Šia sąvoka apibūdinamas faktas, kad mažyčiai objektai gali kiaurai pereiti vientisą barjerą ir jo nepažeisti. Pavyzdžiui, jeigu iššautumėte elektroną į vientisą aukso plokštę, yra tikimybė, jog elektronas atsidurs kitoje plokštės pusėje ir plokštės nepaveiks. Tiek tai, kad dalelės gali egzistuoti dviejose vietose vienu metu, tiek tai, jog jos gali kiaurai pereiti tvirtus objektus – dvilypės mažų objektų prigimties rezultatas.
Kadaise šviesa buvo apibūdinama kaip banga, tačiau vėliau suprasta, kad ją galima apibūdinti kaip dalelių, vadinamų fotonais, srautą. Panašiai nutiko ir su elektronais: nors anksčiau jie laikyti mažomis apie atomo branduolį skriejančiomis dalelėmis, vėliau buvo atrasta, kad jie gali pasižymėti ir banginėmis savybėmis.
Pasirodo, kad tiek elektronai, tiek fotonai turi ir dalelių, ir bangos savybių. Kitais žodžiais tariant: abu apibūdinimai yra teisingi. Tad šie keisti tuneliavimo ir egzistavimo keliose vietose vienu metu fenomenai yra įmanomi dėl bangiškos medžiagos prigimties.
Kvantinė teleportacija
Nors žmonių ar bet kokių didelių objektų teleportacija vis dar ateities galimybė, tačiau mokslininkams jau pavyko teleportuoti pavienius atomus ir fotonus. Na, bent jau tam tikra prasme.
Tokios teleportacijos procesas pradedamas sukuriant dvi susietąsias daleles vietoje A, o tuomet vieną iš jų nusiunčiant į vietą B. Nors pasikeičia atstumas, šios dalelės išlieka susietos. Tuomet į A vietoje esančią dalelę paleidžiama dar kita (trečioji), paveikianti pastarąją.
Šis poveikis A dalelės būsenai akimirksniu pasireiškia dalelės B vietoje – būtent toks reiškinys ir vadinamas kvantine teleportacija. Materija šiuo atveju nėra perkeliama, bet metodas leidžia vienos dalelės kvantinę būseną perduoti kitai, joms tiesiogiai nesąveikaujant.
Kubitai – galios raktas
Skaitmeniniai kompiuteriai veikia dvejetainės aritmetikos principu. Visi skaičiai yra bitų sekos iš vienetų arba nulių. Įprastiniuose kompiuteriuose nulius ir vienetus atitinka elektros srovė arba, kitais žodžiais, daugybės elektronų poveikis.
Kubitas yra bitų atitikmuo kvantiniuose kompiuteriuose. Skirtingai nuo bitų, esančių vienos arba kitos būsenos, kubitai gali būti abiejų būsenų superpozicijoje.
Perskaičius kubitą, jo reikšmė visuomet bus 0 arba 1, kiekvieno iš jų tikimybei priklausant nuo jo platumos. Dėl to sudėtinga sukurti algoritmus, galinčius išnaudoti kvantinių skaičiavimų potencialą.
Kvantinės technologijos ateitis
Vos pažvelgę į nuotraukas, žmonės gali lengvai atskirti sau pažįstamus objektus, tačiau to paties išmokyti kompiuterį yra itin sudėtinga užduotis programuotojams, nes labai sunku tiksliai ir nedviprasmiškai apibūdinti, pavyzdžiui, katino bruožus.
Tobulindama internetinę nuotraukų paiešką, „Google“ jau yra investavusi į atvaizdų analizės technologiją. Kvantinis kompiuteris nuotraukose atpažindavo automobilius daug greičiau nei tradicinis kompiuteris. Tiesa, nuolatos įsiveldavo gana kurioziškų klaidų.
Be to, mokslininkai tikisi, kad pagal kvantinės fizikos dėsnius sukurti kvantiniai kompiuteriai padės geriau suprasti kvantinę mechaniką. Nors ir šiandien kompiuteriai yra pajėgūs vykdyti kvantinių efektų simuliacijas, tačiau jos yra tokios sudėtingos, jog viskas vyksta neįtikėtinai lėtai.
Kvantiniai kompiuteriai būtų daug pajėgesni simuliuoti kvantines sistemas, o tai mokslininkams teikia vilčių daugiau sužinoti apie kvantų pasaulio paslaptis.
NASA yra viena iš kompanijų, kuriai priklauso pirmieji pasaulyje kvantiniai kompiuteriai. Agentūra žino ne vieną būdą, kaip kvantinė kompiuterija galėtų prisidėti prie kosminių tyrinėjimų, tačiau daugelio jų esmė yra kuo greitesnis milžiniško duomenų kiekio apdorojimas – kuo efektyvesnės adatos paieškos šieno kupetoje.
Vienas iš klasikinių pavyzdžių galėtų būti į Žemę panašių, gyvybei tinkamų egzoplanetų, skriejančių tam tikru atstumu nuo žvaigždės, paieška. Būtent už egzoplanetų atradimus ir tyrimus šiais metais įteikta Nobelio premija.
Tikimasi, kad kvantinės technologijos pakeis ir medicinos pasaulį – jos gali padėti optimizuoti radioterapiją. Siekiama įvairiais kampais besikryžminančiais galingos radiacijos spinduliais tiksliai paveikti vėžines ląsteles ir taip sustabdyti jų dauginimąsi nepadarant žalos likusiems audiniams.
Dar daugiau, universalus kvantinis kompiuteris galėtų gana lengvai faktorizuoti net ir didelius skaičius, kuriuos įveikti tradiciniams kompiuteriams prireikia daug laiko. Šiandien šifrai remiasi būtent tuo, jog skaičių faktorizavimas yra sudėtingas procesas, tačiau universaliems kvantiniams kompiuteriams šifrai didesnių problemų nesukeltų.
Tai labai praverstų kovojant su terorizmu ar organizuotu nusikalstamumu. Žinoma, kibernetinis nusikalstamumas taip pat galėtų padidėti. Be to, ta pati kvantinė technologija, paversianti šiandienines šifravimo technikas bevertėmis, suteiks alternatyvą joms – kvantinę kriptografiją.
