Kvantni računar
Kvantni računari su računari koji pri svom funkcionisanju koriste kvantna svojstva mikročestica. Oni se suštinski razlikuju od klasičnih kompjutera kod kojih se informacije bazično predstavljaju u obliku bitova (0 i 1). Kod njih su osnovne jedinice operacije tzv. kubiti, koji koriste kvantni fenomen superpozicije, tunel efekta i druge za operaciju nad informacijama.[1]
Mogućnosti ovakvih računara su velike i ogledaju se u tome da bi neki matematički problemi mogli biti rešeni mnogo brže, nego kod klasičnih. Primer za to je Šorov, kvantni algoritam, koji bi mogao biti apsolutno najbrži način za faktorizaciju brojeva i koji bi bez problema dekriptovao svaku RSA šifru koja je danas u upotrebi (naši bankovni računi, šifre od mejl naloga, vojne i državne tajne itd).
Na ideju o ovakvim računarima je prvi došao američki nobelovac i fizičar Ričard Fajnman još 1982. godine i od tada je na ovom polju učinjen veliki napredak. Mnogi eksperimentalni „kompjuteri“ koji uspešno funkcionišu se stvaraju iz dana u dan, a može se reći da je ovo trenutno jedna od najživljih oblasti nauke.
Potreba za novom računarskom tehnologijom[uredi | uredi izvor]
Razvoj modernih kompjutera obeležava izuzetno brz rast brzine kompjuterskih procesora, koji možda i najbolje definiše čuveni Murov zakon, koji je postavio osnivač Intela Gordon Mur 1965. godine, a koji predviđa udvostručavanje količine tranzistora na procesoru svakih 18 – 24 meseca. Trend ovog ogromnog rasta je zahvaljujući velikom razvoju tehnologije važio preko 40 godina, ali se poslednjih godina primećuje njegovo usporavanje, pre svega usled toga što aktuelna silicijumska tehnologija mikroprocesora dolazi do svojih prirodnih i tehničkih granica. Iako je obeležila krucijalan period razvoja računara, sasvim je izvesno da će je uskoro zameniti nove tehnologije.
Već nekoliko decenija se razvijaju prototipi sa potpuno drugačijom tehnologijom tranzistora, kao što su: optički, molekulski, DNK, kvantni itd.
Princip kvantnih tranzistora[uredi | uredi izvor]
Kvantni tranzistori se suštinski razlikuju od klasičnih, silicijumskih tranzistora, kod kojih je princip rada jednostavniji i bazira se na tome da li u strujnom kolu ima struje (1 u binarnom kodu) ili nema struje (0 u binarnom kodu). Oni se, slično bitovima kod klasičnih kompjutera nazivaju kubiti i predstavljaju osnovne jedinice operacije kvantnih računara. Njihov mehanizam rada je zasnovan na kvantnim svojstvima čestica, koje imaju jedinstvenu sposobnost superpozicije, odnosno činjenici da jedna čestica u jednom trenutku može biti u više stanja sve dok ne izvršimo neka merenja i ne delujemo spoljašnjom silom na nju. Oni mogu u binarnom sistemu predstavljati u određenom trenutku sve superpozicije stanja 0 i 1.
Uzmimo primer trobitnog registra kod klasičnog računara, stanje računara, odnosno tranzistora u bilo kom trenutku može biti jedno od , odnosno 000; 001; 010; 011; 100; 101; 110; 111, svakako znamo da se ovaj računar sigurno nalazi u jednom od ovih stanja i ukupna verovatnoća svih stanja je jednaka 1, s druge strane kod kvantnih računara kubiti mogu istovremeno biti u više ovih stanja. Dakle, ako stanja kvantnih kompjutera predstavimo sa 8 kompleksnih brojeva onda će njihovi kvadrati zapravo predstavljati verovatnoću za svaku pojedinačnu vrednost, a zbir tih verovatnoća je 1, odnosno:
.
Kada bi neki klasični kompjuter izvršavao operacija, teorijski bi sa istim brojem kubitova na kvantnom kompjuteru moglo da se izvrši operacija u istom vremenskom intervalu, odnosno rast kapaciteta i brzine takvog, hipotetičkog kompjutera bi bio eksponencijalni.
Kubiti su sačinjeni od neke mikročestice (atoma, elektrona, fotona...) i kontrolnih mikrouređaja, koji kontrolišu rad čestice i zadaju joj naređenja, odnosno definišu njihovo stanje.
Današnji, eksperimentalni kvantni kompjuteri[uredi | uredi izvor]
Ideja o kvantnim računarima je stvorena još 80-ih godina XX veka i već tada su razne strukture bogatih zemalja uvidele potencijal i ulagale značajan novac u istraživanja, pa su tako na raznim svetskim univerzitetima i u kompanijama nastajali prototipovi, koji beleže veliki razvoj i napredak. Današnji kvantni kompjuteri su izuzetno osetljivi, sačinjeni od svega nekoliko kubita, ali ipak u eksperimentalnom smislu predstavljaju dokaz o praktičnoj mogućnosti izgradnje ovih inovativnih računara.
Većina današnjih kvantnih kompjutera se koristi na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, zbog specifičnih osobina superprovodljivosti, koje se javljaju na tim temperaturama. Veliki napredak se ostvaruje i u kontroli i povezivanju kubita, ali je i dalje problem kvantne dekoherencije sveprisutan. Naime, sposobnost superpozicije se gubi kod kompjutera većih dimenzija od nekoliko kubita kad na sisteme deluje i najmanja sila iz spoljašnje sredine, što znači da oni faktički postaju klasični računari. Do sada nije pronađeno rešenje za ovaj problem u dizajnu kvantnih računara, a mnogi stručnjaci iz ove oblasti, kao što je Ralf Lander (IBM) smatraju da se problem dekoherencije nikada neće u potpunosti rešiti. Moguće rešenje mogli bi biti kvantni kompjuteri bazirani u dijamantima, koji minimalizuju problem dekoherentnosti.
Verovatno i najveći proboj na ovom polju načinjen je 2011. godine kada je kanadska kompanija “D wave systems” konstruisala do sada najveći računar ovog tipa sačinjen od 128 superprovodnih kubita, koji su prespojeni sa preko 24 000 Džozefsonovih spojeva, koji su izrađeni od superprovodnika, tako da čitav ovaj sistem radi u kriogenom okruženju (temperaturama blizu apsolutne nule) i ima dimenzije omanjeg automobila, što podseća na prve digitalne kompjutere u svojim začecima. Postoje kontroverze oko toga da li je ovo zaista kvantni računar ili ne, ali činjenica je da ga je američka svemirska kompanija Lokid Martin, uvidevši njegovu perspektivu, kupila za 10 miliona dolara.
Šorov algoritam[uredi | uredi izvor]
Šorov algoritam predstavlja kvantni algoritam koji je razvio američki matemaričar Piter Šor 1994. godine i koji je najbrži postojeći algoritam za faktorizaciju, odnosno razlaganje brojeva na sastavne, proste činioce. On je predstavljao pravu revoluciju u razvoju kvantnih algoritama i omogućio eksponencijalno brže izračunavnje ovog problema od tada najboljih klasičnih algoritama.
Ukoliko bi imali neki broj N, za faktorizaciju preko Šorovog algoritma bi bilo neophodno vreme , dok bi za najefikasniji današnji, klasični algoritam (GNFS algoritam) trebalo vremena.
Praktično funkcionisanje ovog principa je demonstrirano 2001. godine u kompaniji IBM kada je broj petnaest u jednom od prvih kvantnih računara razložen na činioce 5 i 3 i na taj način prvi put u istoriji izvršena neka operacija na ovakvom tipu računara. Teorijski, ukoliko bi imali dovoljno veliki broj kubita, mogli bi da uz pomoć njih dekriptujemo savremene kriptografske, asimetrične algoritme, koji koriste upravo činjenicu da je množenje relativno jednostavna operacija, dok je traženje činilaca iz proizvoda, odnosno faktorizacija enormno složenija operacija. Na osnovu toga se uspostavlja veza između privatnih i javnih ključeva, za koju se danas smatra da ne može biti dešifrovana uz postojeći rast kompjuterskih tehnologija u narednih milijardu godina.
Potencijal[uredi | uredi izvor]
Iako su ovi računari tek na početku svog razvoja, njihov potencijal i mogućnosti su ogromne, pogotovo ako uspemo da otklonimo određene tehničke probleme i optimizujemo ih za rad u realnim uslovima (normalna temperatura, adekvatna veličina). Što bude napravljen veći kompjuter (sa većim brojem kubita), to će on postajati mnogo napredniji od današnjih, silicijumskih i u doglednoj budućnosti će biti korišćen za vrlo složena izračunavanja, koja će svakako uticati na svet nauke, ali i na mnoge sfere života.
Kao pokazatelj potencijalnih mogućnosti ovih računara, najbolje je priložiti neke primere. Ako pri pretraživanju određenog broja nerazvrstanih informacija današnji kompjuteri obavljaju prosečno operacija, kvantni kompjuteri bi obavljali prosečno operacija. To znači da je kod velikog broja podataka brzina pretrage mnogo veća kod kvantnih, nego kod klasičnih računara. Takođe, kada bi klasičnim putem faktorizovali broj od 300 cifara, za izračunavanje bi nam trebalo hiljade godina, dok je kod kvantnih potrebna jedna sekunda.
Vidi još[uredi | uredi izvor]
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ The National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2019). Grumbling, Emily; Horowitz, Mark, ur. Quantum Computing : Progress and Prospects (2018). Washington, DC: National Academies Press. str. I-5. ISBN 978-0-309-47969-1. OCLC 1081001288. doi:10.17226/25196.
Literatura[uredi | uredi izvor]
- Krstajić, Božo (2012). Informacione tehnologije - sadašnjost i budućnost (PDF). Podgorica: Univerzitet Crne Gore. Arhivirano iz originala (PDF) 24. 10. 2013. g.
- Raković, Dejan (2001). Makroskopski kvantni efekti u biofizici (PDF). Banja Luka: ANU Republike Srpske. ISBN 978-0-521-59180-5 (hardback) ISBN 978-0-521-59827-9 (paperback).
- Dugić, Miroljub (2009). Kvantni računari. Kragujevac: Institut za fiziku.
- Abbot, Derek; Doering, Charles R.; Caves, Carlton M.; Lidar, Daniel M.; Brandt, Howard E.; Hamilton, Alexander R.; Ferry, David K.; Gea-Banacloche, Julio; Bezrukov, Sergey M.; Kish, Laszlo B. (2003). „Dreams versus Reality: Plenary Debate Session on Quantum Computing”. Quantum Information Processing. 2 (6): 449—472. arXiv:quant-ph/0310130 . doi:10.1023/B:QINP.0000042203.24782.9a. hdl:2027.42/45526.
- Akama, Seiki (2014). Elements of Quantum Computing: History, Theories and Engineering Applications. Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-08284-4.
- Ambainis, Andris (1998). „Quantum computation with linear optics”. arXiv:quant-ph/9806048 .
- Ambainis, Andris (2000). „The Physical Implementation of Quantum Computation”. Fortschritte der Physik. 48 (9–11): 771—783. arXiv:quant-ph/0002077 . doi:10.1002/1521-3978(200009)48:9/11<771::AID-PROP771>3.0.CO;2-E.
- Berthiaume, Andre (1997). „Quantum Computation”.
- Dibyendu Chatterjee; Arijit Roy (2015). „A transmon-based quantum half-adder scheme”. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2015 (9): 093A02(16pages). Bibcode:2015PTEP.2015i3A02C. doi:10.1093/ptep/ptv122.
- Benenti, Giuliano (2004). Principles of Quantum Computation and Information Volume 1. New Jersey: World Scientific. ISBN 978-981-238-830-8. OCLC 179950736.
- DiVincenzo, David P. (1995). „Quantum Computation”. Science. 270 (5234): 255—261. Bibcode:1995Sci...270..255D. CiteSeerX 10.1.1.242.2165 . doi:10.1126/science.270.5234.255. Table 1 lists switching and dephasing times for various systems.
- Feynman, Richard (1982). „Simulating physics with computers”. International Journal of Theoretical Physics. 21 (6–7): 467—488. Bibcode:1982IJTP...21..467F. CiteSeerX 10.1.1.45.9310 . doi:10.1007/BF02650179.
- Hiroshi, Imai; Masahito, Hayashi (2006). Quantum Computation and Information. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-33132-2.
- Jaeger, Gregg (2006). Quantum Information: An Overview. Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-35725-6. OCLC 255569451.
- Nielsen, Michael; Chuang, Isaac (2000). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63503-5. OCLC 174527496.
- Keyes, R. W. (1988). „Miniaturization of electronics and its limits”. IBM Journal of Research and Development. 32: 84—88. doi:10.1147/rd.321.0024.
- Landauer, Rolf (1961). „Irreversibility and heat generation in the computing process” (PDF).
- Lomonaco, Sam. Four Lectures on Quantum Computing given at Oxford University in July 2006
- Mitchell, Ian (1998). „Computing Power into the 21st Century: Moore's Law and Beyond”. Arhivirano iz originala 20. 08. 2008. g. Pristupljeno 12. 10. 2019.
- Moore, Gordon E. (1965). „Cramming more components onto integrated circuits”. Electronics Magazine.
- Nielsen, M. A.; Knill, E.; Laflamme, R. „Complete Quantum Teleportation By Nuclear Magnetic Resonance”. Arhivirano iz originala 05. 12. 2007. g. Pristupljeno 12. 10. 2019.
- Sanders, Laura (2009). „First programmable quantum computer created”. Arhivirano iz originala 25. 09. 2012. g. Pristupljeno 12. 10. 2019.
- Simon, Daniel R. (1994). „On the Power of Quantum Computation”. Institute of Electrical and Electronic Engineers Computer Society Press. Arhivirano iz originala 20. 07. 2008. g. Pristupljeno 12. 10. 2019.
- „Simons Conference on New Trends in Quantum Computation”. Simons Center for Geometry and Physics, and C. N. Yang Institute for Theoretical Physics. novembar 15—19, 2010. Proverite vrednost paramet(a)ra za datum:
|date=
(pomoć) - Singer, Stephanie Frank (2005). Linearity, Symmetry, and Prediction in the Hydrogen Atom. New York: Springer. ISBN 978-0-387-24637-6. OCLC 253709076.
- Stolze, Joachim; Suter, Dieter (2004). Quantum Computing. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40438-4.
- Vandersypen, Lieven M.K.; Yannoni, Constantino S.; Chuang, Isaac L. (2000). Liquid state NMR Quantum Computing.
- Wichert, Andreas (2014). Principles of Quantum Artificial Intelligence. World Scientific Publishing Co. ISBN 978-981-4566-74-2.
- Indian Science News Association, Special Issue of "Science & Culture" on 'A Quantum Jump in Computation' Arhivirano na sajtu Wayback Machine (19. februar 2020), Vol. 85 (5-6), May–June (2019)
Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]
- Članak o konstrukciji kvantnih računara i kvantnoj informatici
- Članak o kvantnim računarima u jonskim kristalima
- Članak o kvantnim računarima
- Članak o prodaji prvog kvantnog računara
- Članak o kubitima i kvantnim kompjuterima
- Članak o šorovom algoritmu i eventualnoj dekripciji RSA šifri
- Stanford Encyclopedia of Philosophy: "Quantum Computing" by Amit Hagar and Michael E. Cuffaro.
- Ambainis, Andris (2013). „Quantum Annealing and Computation: A Brief Documentary Note”. arXiv:1310.1339 [physics.hist-ph].
- Maryland University Laboratory for Physical Sciences: conducts researches for the quantum computer-based project led by the NSA, named 'Penetrating Hard Target'.
- Visualized history of quantum computing
- Hazewinkel Michiel, ur. (2001). „Quantum computation, theory of”. Encyclopaedia of Mathematics. Springer. ISBN 978-1556080104.
- Patenting in the field of quantum computing
- Quantum computing for the determined – 22 video lectures by Michael Nielsen
- Video Lectures by David Deutsch
- Lectures at the Institut Henri Poincaré (slides and videos)
- Online lecture on An Introduction to Quantum Computing, Edward Gerjuoy (2008)
- Quantum Computing research by Mikko Möttönen at Aalto University (video) na sajtu YouTube