Kvantno računanje funkcionira na fundamentalno drugačiji način od klasičnog računanja, koristeći jedinstvena svojstva kvantne mehanike. Dok klasična računala koriste bitove koji mogu biti samo 0 ili 1, kvantna računala koriste qubitove koji mogu postojati u oba stanja istovremeno zahvaljujući fenomenu superpozicije. Ova tehnologija, iako još uvijek u ranoj fazi razvoja, pokazuje izvanredan potencijal za rješavanje složenih problema eksponencijalno brže od klasičnih računala.
Od ideje fizičara i nobelovca Richarda Feynmana iz 1980-ih godina, preko prvih eksperimentalnih dokaza funkcionalnosti, do današnjih naprednih prototipova, kvantna računala su prešla dug put.
U nastavku donosimo 15 fascinantnih zanimljivosti o ovoj tehnologiji budućnosti koja obećava promijeniti način na koji rješavamo najkompleksnije probleme, od optimizacije složenih sustava i simulacije molekularnih struktura do probijanja kriptografskih sustava i revolucioniranja umjetne inteligencije.
15 zanimljivosti o kvantnim računalima koje sigurno niste znali
Kvantno računanje nije samo tehnologija budućnosti – ono je već ovdje, i donosi sa sobom niz fascinantnih koncepata koji izazivaju našu percepciju stvarnosti.
Kvantna mehanika je toliko neintuitivna da je čak i stručnjacima teško pojmiti njene koncepte. Načelo nesigurnosti, dualizam valova i čestica te kvantna superpozicija su toliko neintuitivni pojmovi da ih je “uopće nemoguće objasniti riječima, slikama ili logičkim konceptima”. Ove koncepte se jedino može razumjeti kao visoke matematičke apstrakcije. Ipak, većina matematičara i fizičara uživa u temi koja se tiče kvantnih računala i njihove primjene u budućnosti.
Pripremite se za putovanje kroz 15 nevjerojatnih zanimljivosti o kvantnom računanju koje će vas natjerati da preispitate sve što ste mislili da znate o računalima i fizici. Od čestica koje mogu biti na dva mjesta istovremeno do računala koja rade na temperaturama hladnijim od svemira, ove činjenice će vas fascinirati, zbuniti i inspirirati – baš kao i sama kvantna mehanika.
1. Superpozicija
Klasični bit može biti samo 0 ili 1, poput prekidača koji je ili uključen ili isključen. Qubit, osnovna jedinica kvantnog računanja, može biti istovremeno i 0 i 1. Ovo nije samo teorija – to je stvarna fizička pojava. Elektron može istovremeno rotirati u dva smjera. Foton može proći kroz dva otvora odjednom. Ova sposobnost postojanja u više stanja istovremeno omogućuje kvantnim računalima da obrađuju mnogo više informacija odjednom.
2. Eksponencijalno skaliranje
Dodavanje jednog klasičnog bita u sustav udvostručuje broj mogućih stanja. Ali dodavanje jednog qubita udvostručuje računsku moć. S 2 qubita, kvantno računalo može raditi s 4 stanja istovremeno. S 3 qubita, to je 8 stanja. S 50 qubita, to je preko milijun milijardi stanja. Ovo eksponencijalno povećanje moći s dodavanjem svakog novog qubita daje kvantnim računalima njihovu nevjerojatnu prednost za određene probleme.
3. Kvantna spregnutost
Dva qubita mogu postati “spregnuta” tako da su njihova stanja povezana, bez obzira na udaljenost između njih. Promjena jednog qubita trenutno utječe na drugi. Einstein je ovo nazvao “sablasno djelovanje na daljinu” i smatrao ga je dokazom da kvantna teorija nije potpuna. No eksperimenti su pokazali da je spregnutost stvarna pojava. Ona omogućuje kvantnim računalima da izvode složene operacije koje povezuju više qubita odjednom.
4. Tunel efekt
U klasičnom svijetu, lopta ne može proći kroz zid bez da ga probije. Ali u svijetu u čijem je središtu kvantno računanje, čestica može “tunelirati” kroz energetsku barijeru koju klasično ne bi mogla prijeći. Ovo je kao da lopta za tenis odjednom nestane s jedne strane zida i pojavi se na drugoj strani, bez da je prošla kroz zid. Tunel efekt se već koristi u elektroničkim uređajima poput flash memorije i omogućuje kvantnim računalima da istražuju rješenja problema na načine koji su klasičnim računalima nedostupni.
5. Kvantni skokovi
Elektroni u atomima ne prelaze postupno iz jednog energetskog stanja u drugo – oni skaču. Ovi “kvantni skokovi” su trenutni i nemaju međukorake. Elektron je prvo u jednom stanju, a zatim odjednom u drugom. Ova diskretna priroda kvantnih promjena stanja je temelj za manipulaciju qubitima u kvantnim računalima, gdje se stanja mijenjaju primjenom preciznih pulseva energije.
6. Heisenbergov princip neodređenosti
Nemoguće je istovremeno točno znati i poziciju i brzinu čestice. Što preciznije mjerimo poziciju, to manje znamo o brzini, i obrnuto. Ovo nije ograničenje naših instrumenata, već temeljno svojstvo prirode. Za kvantna računala, ovo znači da mjerenje qubita uzrokuje “kolaps” superpozicije u jedno stanje, što je važno razumjeti pri dizajniranju kvantnih algoritama.
7. Kvantni vakuum
Prazan prostor nije zapravo prazan. Prema kvantnoj teoriji, vakuum vrvi virtualnim česticama koje neprestano nastaju i nestaju. Ove fluktuacije vakuuma imaju mjerljive efekte i doprinose energiji praznog prostora. U kontekstu kvantnog računanja, ove fluktuacije mogu uzrokovati dekoherenciju, gubitak kvantnih svojstava, što predstavlja izazov za održavanje stabilnosti qubita.
8. Kvantne fluktuacije
Energija i vrijeme su povezani principom neodređenosti, što znači da u vrlo kratkim vremenskim intervalima, energija sustava može spontano fluktuirati. Ove kvantne fluktuacije su odgovorne za mnoge fenomene, uključujući Hawkingovo zračenje crnih rupa. U kvantnim računalima, ove fluktuacije mogu uzrokovati pogreške u izračunima, pa su razvijene tehnike za njihovo ublažavanje.
9. Povijesni početak
Richard Feynman, poznati fizičar, prvi je predložio ideju kvantnog računala 1982. godine. Primijetio je da je klasičnim računalima teško simulirati kvantne sustave i predložio stvaranje računala koja bi sama koristila kvantna svojstva. Njegova vizija je postavila temelje za novo područje istraživanja koje je danas u punom zamahu, s velikim ulaganjima kompanija poput IBM-a, Googlea i Microsofta.
10. Shorov algoritam
Peter Shor je 1994. razvio algoritam koji pokazuje kako kvantno računalo može faktorizirati velike brojeve eksponencijalno brže od najboljih poznatih klasičnih algoritama. Faktorizacija velikih brojeva je temelj za mnoge kriptografske sustave, pa Shorov algoritam predstavlja potencijalnu prijetnju za današnju internetsku sigurnost. Ovo otkriće je potaknulo veliko zanimanje za kvantno računanje i pokazalo njegovu potencijalnu moć.
11. Problem dekoherencije
Qubiti su vrlo osjetljivi na okolinu. Interakcija s okolinom uzrokuje dekoherenciju – gubitak kvantnih svojstava poput superpozicije i spregnutosti. Možemo to usporediti s gradnjom kule od karata u prostoriji punoj propuha – i najmanji poremećaj može srušiti sve. Dekoherencija je glavni izazov u izgradnji praktičnih kvantnih računala i razlog zašto mnoga kvantna računala rade na ekstremno niskim temperaturama.
12. Kvantna korekcija pogrešaka
Klasična računala koriste redundanciju za ispravljanje pogrešaka – isti bit se pohrani više puta. Ali kad je u pitanju kvantno računanje ne možemo jednostavno kopirati qubit zbog “teorema o nemogućnosti kloniranja”. Umjesto toga, kvantna korekcija pogrešaka koristi složene tehnike za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka bez direktnog mjerenja stanja qubita, što bi uzrokovalo kolaps superpozicije.
13. Ekstremni uvjeti rada
Mnoga kvantna računala rade na temperaturama blizu apsolutne nule (-273.15°C). Na ovim temperaturama, termalne vibracije su minimalne, što pomaže u održavanju koherencije qubita. IBM-ov kvantni procesor radi na 0.015 Kelvina, što je hladnije od dubokog svemira (2.7 Kelvina). Postizanje i održavanje ovih temperatura zahtijeva složene rashladne sustave i velike količine energije.
14. Probabilistička priroda
Klasična računala su deterministička – isti ulaz uvijek daje isti izlaz. Kvantna računala su probabilistička – zbog superpozicije, isti ulaz može dati različite izlaze s različitim vjerojatnostima. Kvantni algoritmi su dizajnirani da povećaju vjerojatnost dobivanja točnog odgovora, ali obično zahtijevaju više pokušaja za potvrdu rezultata.
15. Komplementarnost
Kvantna računala neće zamijeniti klasična računala za svakodnevne zadatke poput pregledavanja interneta ili pisanja dokumenata. Ona su specijalizirana za specifične probleme gdje njihova kvantna svojstva daju prednost – poput simulacije kvantnih sustava, optimizacije složenih problema i faktorizacije velikih brojeva. Budućnost računanja vjerojatno uključuje hibridne sustave koji kombiniraju klasična i kvantna računala za različite dijelove problema.