Nešto o kvantnim računarima

Novosti iz sveta elektronike, elektrike, PC, itd...
Odgovori
Message
Autoru
Korisnikov avatar
zokce
Početnik
Postovi: 903
Pridružio se: Sre Okt 18, 2017 7:57 pm
Lokacija: Juzna Srbija

Nešto o kvantnim računarima

#1 Post od zokce » Pet Mar 29, 2019 5:23 pm

Od kolege sam dobio zanimljiv tekst o kvantnim racunarima, pa cu ga rado podeliti svima koje zanima.
Tekst je napisao Mihajlo Stankic i objavio na FB, i ovim putem mu se zahvaljujem. Tekst prenosim u celosti, bez izmena, uzivajte u citanju.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

`Predlažem da u dokolici pročitate sledeći tekst koji elementarno opisuje principe funkcionisanja kvantnih računara (preporuka se posebno odnosi na kolege inženjere):

Kvantni računari postoje, proizvode se na minimum dva mesta u svetu: jednoj korporaciji pod okriljem Googla i IBM-u. Gde se trenutno koriste, to ostavljam vašoj mašti na volju.
Za one koji se po prvi put susreću sa ovom temom, pre nego dotaknemo principe funkcionisanja kvantnih računara i mogućnost njihove primene, približimo ovu temu kroz jednu zanimljivu korelaciju kvantnih računara i univerzuma.
Teorijski, KVANTNI PROCESOR sa 1k kjubita (1kQb) ima BROJ STANJA jednak hipotetičkom broju SVIH ATOMA u Univerzumu.
Jedna od hipoteza je da postoji oko 100.000.000.000 (ili 10na11) galaksija u kosmosu. Svaka od tih galaksija je, u proseku, 100.000.000.000 (ili 10na11) puta masivnija od našeg Sunca. To znači da ukupne količine materije u kosmosu ima 10na11 x 10na11, odnosno 10na22 puta više nego što je sadrži naše Sunce. Drugim rečima, u kosmosu ima dovoljno materije da se "napravi" 10.000.000.000.000.000.000.000 (10 sekstiliona) Sunaca kao što je naše.
Masa našeg Sunca približno je jednaka 2 x 10na33 grama. Iz toga proizilazi, da ukupna količina materije koja se nalazi u univerzumu ima masu od 10na22 x 2 x 10na33 ili 2 x 10na55 grama. To se može napisati kao: 20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 grama. Ili iskazano rečima, to bi bilo oko 20 septendeciliona grama.
Probajmo sada da razmotrimo problem sa drugog kraja. Masa univerzuma je skoro sva koncentrisana u nukleonima atoma od kojih je sačinjena. (Nukleoni su čestice koje predstavljaju osnovne komponente jezgra svakog atoma.) Oni su toliko mali, da ih je potrebno 6 x 10na23 da bi načinili masu od samo jednog grama.
Dakle, ako 6 x 10na23 nukleona čini jedan gram (taj broj se inače naziva Avogadrov broj = 6,0221367 x 10na23 i predstavlja broj molekula jednog mola gasa pod normalnim uslovima), a ako smo rekli da ima 2 x 10na55 grama u kosmosu, onda je lako izračunati da je ukupan broj nukleona jednak 6 x 10na23 x 2 x 10na55 ili 12 x 10na78. Uobičajeno je da se to matematički piše kao 1,2 x 10na79.

Informacije radi, već uveliko postoje kvantni procesor sa neverovatnih 2k kjubita.

Apstraktno govoreći, klasičan elektronski računar posmatran iz informatičkog ugla karakterišu bitovi. Znamo da bit ima dva stanja, nulu ili jedinicu, koje fizički reprezentuje tranzistor koji se nalazi u zakočenju (nula) ili zasićenju (jedinica). Kalkulacije nad bitovima, omogućile su diverzitet digitalne elektronike koju danas uglavnom nazivamo IT svetom.
Dakle, dok klasične računare reprezentuju bitovi, kvante reprezentuju kjubiti. Kjubit osim stanja nule i jedinice ima i jedno dodatno stanje. Naime, kjubit može da se u isto vreme nalazi u oba stanja. Deluje malo iščašeno, ali „paradoks Šredingerove mačke“ preslikan je na kjubit. Pre nego objasnimo fizikalnu konstrukciju kjubita, spomenimo neke od kvantnih procesa ili takozvanih kvantnih funkcija koji su osnova kvantne mehanike. Interesantno je napomenuti da su se algoritmi za kvantne kalkulacije, kao teorijski modeli, pojavili mnogo pre kvantnih računara.

Ono što na prvi pogled percipira većina ljudi koji se ne bave kvantnom mehanikom je pretpostavka da je dimenzija jednog tranzistora ili u ovom slučaju kjubita svedena na kvant, tj. atom. Međutim, ne radi se o kvantnim sistemima po strukturi, nego po funkciji, a funkcije ili procesi koji su isključivo karakteristični za kvante sisteme su:
1. Diskretnost energije: Poznato je da elektron koji kruži oko jezgra atoma ima tačno određenu, tj. diskretnu vrednost energije. Kada se pobudi, tj. kada ga pogodi foton, on pređe na novi, viši energetski nivo sa novom diskretnom vrednošću. Paradoks je u tome, što elektron jedno kratko vreme postoji na oba nivoa.
2. Superpozicija: Putanja elektrona nije predvidiva, tj. on se nalazi sa određenom verovatnoćom na više mesta. Iako je čestica, elektron se ponaša kao talas, te ovaj fenomem omogućava paralelizam u obradi podataka.
3. Kvantna spletenost: Možda najbizarniji fenomen, omogućava neku vrstu teleportacije. Naime, ako su dve čestice kvantno spletene, i jednoj promenite neki parametar (na primer spin), i na drugoj se spin trenutno menja. U osnovi ovog fenomena je stabilnost materije, a jedna od nobelovih nagrada za fiziku 2012. godine dodeljena je za eksperiment u kome su dve kvantno spletene čestice bile udaljene par kilometara.
4. Tunelovanje: Prošlo je više od 120 godina kada se u eksperimentima Radeforda utvrdilo da elektroni, i kada nemaju dovoljno energije, mogu savladavati potencijalnu barijeru (izraz karakterističan za takozvani PN spoj od koga se izgrađuju elektronski elemenati − diode, tranzistori itd). Ni do danas nije utvrđeno usled čega se ovo dešava, odakle elekron pozajmljuje energiju, prosto konstatuje se, i već više decenija primenjuje u klasičnoj elektronici (tunel dioda na primer.)

Da li su kvantni računari stvarno kvantni?
Pitanje koje je mučilo kvantne mehaničare moglo se aproksimirati krilaticom: da li makroskopski sistem može da ima kvanta svojstva, tj. da li se na nekom makroskopskom sistemu mogu manifestovati gore navedene funkcije. Kada su fizičari eksperimentalno, pre nekoliko godina, odgovorili sa DA, odškrinuli su vrata za razvoj kvantnih računara.

Postoji više varijanti realizacije makroskopskih kjubita, a primer sa magnetnim dipolom je trenutno najzastupljeniji. Cela priča se odvija u izolovanim kućištima, pri finom vakumu i temperaturi od čak 4 mK, koja je znatno niže od temperature potrebne za superprovodni efekat. Razlog za ovako nisku temperaturu je minimizacija svakog kretanja atoma na površini čipa. A posebnim uređajima se za oko 50.000 puta umanjuje uticaj magnetnog polja Zemlje, tj. eleminiše se nepoželjni šum okoline.
Usled magnetnog fluksa Fi1 kroz dipol (vidi sliku) se indukuje struja. Ako se struja kreće u smeru kazaljke na satu, onda ona generiše magnetni momenat naviše, a ako se kreće u smeru suprotnom od kazaljke na satu magnetni momenat naniže. I time se lako upravlja. Ključna činjenice je, da se u određenom vremenskom intervalu, preko Džozefsonovog spoja, dipol napaja i fluksom Fi2 koji je poprečan u odnosu na Fi1, dešava se čudan efekat da struja sada u ISTO VREME može da teče i u jednom i u drugom smeru, dakle, magnetni momenat postoji u oba stanja. Takođe ovaj spin može da tuneluje iz jednog u drugo stanje.
Ređajući ovakve dipole u niz, a kasnije i 3D matrice, dobijamo osnovnu strukturu kvantnog procesora u kome kjubiti međusobno intereaguju i izvode kvantne kalkulacije.
21192924_10210495781731776_2091525259032984245_n.jpg
Kvantna informatika i kvantni algoritmi:
Ova oblast je trenutno za širu (i ne samo širu) javnost potpuno mistična. Kako klasični matematički problem aproksimirati kvantnim procesima u okviru kvantnog algoritma. Potom, kako taj algoritam transponovati na kvantni procesor i kako očitati rešenje nakon kvantne kalkulacije. Ako vam je, kao studentu nekog od IT usmerenja, objektno orjentisano programiranje bilo problem, od ovoga će tek boleti glava. U svakom slučaju ovo će biti sledeći IT izazov nove generacije softverskih inženjera.
Naravno, klasično matematički nerešiv problem biće nerešiv i za kvantni računar. Problem koji je uslovno rešiv za klasični računar, a za čije rešenje trebaju godine, zbog paralelizma u obradi, biće praktično trenutno rešiv za kvantni računar.
Ova činjenica će dovesti do ogromne primene ovih računara kod:
- Problema kriptografije. Za probijanje bilo koje kriptovane šifre, klasičnom super računaru trebale bi godine rada uz potrošnju struje cele HE Đerdap, a kvantnom zbog paralelizma u obradi jedva sekunda.
- Pretraživanja. Generalno, za selektiranje tražene informacije iz n podataka, klasičnom računaru treba u proseku n/2 pokušaja, a kvantnom koren iz n pokušaja. Dakle, eksponencijalno ubrazanje pretrage zbog koje su ljudi iz Google, tj. oni koji imaju para, nesebično odrešili kesu.
- Problema optimizacije. Ako bi imali zadatak da odredimo kojim redosledom obići sve gradove i sela u Srbiji da bi prešli minimalni put, klasičnom računaru bi opet trebale godine, a kvantni bi to savladao očas posla.

I za kraj malo enigme.
Znamo da većina naučnih izuma u suštini predstavlja usavršavanje već viđenih rešenja u prirodi. Tako na primer, avion je neka vrsta ptice prevoznika, princip raketnog pogona je već viđen kod nekih riba i tako dalje, primera ima mnogo. Da li u prirodi postoje „prirodni kvantni računari“ i to na "sobnoj" temperaturi? Odgovor je najverovatnije da, a kvantna biologija, potpuno nova disciplina biologije, praktično je dokazala da komunikacija između citoskeleta svake ćelije ima, po funkciji, kvantu interakciju. Matematičkim formalizmom na nivou celog višećelijskog organizma ova makroskopska kvanta tvorevina se može opisati kvantnom Hopfildovom neuronskom mrežom. Postavlja se pitanje da li ovaj informacioni sistem može da komunicira sa nervnim sistemom čoveka? Zapadna medicina još opipava ovaj informacioni sistem u mraku, ali govoreći jezikom naroda, ako pogledate koju god fresku u pravoslavnoj tradiciji, videćete oreol iznad glava sveca!
(Deo teksta koji čini suštinu teme je pozajmljen od kolege Milana Todorovića)`.
Nemate potrebne dozvole da pogledate prikačene fajlove u ovom postu.
Без старца нема ударца!

Odgovori

Ko je OnLine

Korisnika u ovom forumu: Nema registrovanih korisnika i 1 gost