Kvantinis kompiuteris

Kvantinis kompiuteris (angl. quantum computer) – skaičiavimų mašina, galinti išnaudoti kvantinės mechanikos (kvantinio susiejimo, interferencijos ar kvantinės superpozicijos) dėsnius skaičiavimams. Klasikiniuose kompiuteriuose informacija yra operuojama diskrečiais bitais, o kvantiniuose kompiuteriuose – tolygiai kintančiomis kvantinėmis būsenomis - kubitais. Manoma, kad sukūrus kvantinį kompiuterį su pakankamai daug kubitų (1000) taptų įmanoma išspręsti sudėtingus uždavinius, kurių sprendimas klasikiniuose kompiuteriuose užtruktų milijonus metų.

2021 m. duomenimis galingiausias kvantinis kompiuteris buvo Kinijoje sukurtas „Zuchongzhi“, naudojantis 66 kubitus.^[1]

Kubitai

Kvantinio kompiuterio galia slypi tame, kad 1 kubitas saugoja dvi bazines reikšmes |1> ir |0> arba jų superpoziciją vienu metu. Be to, visi kubitai sąveikauja tarpusavyje, pavyzdžiui, klasikinis 3 bitų kompiuteris gali turėti tik vieną iš 8 (000 001 010 011 100 101 110 111) galimų reikšmių, tuo tarpu kvantiniame kompiuteryje visos 8 reikšmės bus superpozicijoje su tam tikra tikimybe kiekvienai reikšmei.

Pavyzdžiui:

Turime vieną kubitą superpozicijos būsenoje

{\frac {4}{5}}\,|0\rangle -{\frac {3}{5}}\,|1\rangle

,

kur minusas reiškia vieneto fazę.

Šiuo atveju, tikimybė išmatuoti

0	lygi	(4/5)²=16/25	= 64 % ,
1		(-3/5)²=9/25	= 36 %.

3 kubitų superpozicija

kur visi koeficientai realieji skaičiai.

a² + b² + c² + d² + e² + f² + g² + h² = 1, kur tikimybė išmatuoti, pavyzdžiui, $|010\rangle$ yra $c^{2}$ .

Bendru atveju, sistema iš n kubitų turi 2ⁿ klasikinių būsenų (00000, 00001, … , 11111) iš kurių kiekviena gali būti išmatuota su tikimybe 0-100 %.

Sunkumai kuriant kvantinį kompiuterį

Kvantinį kompiuterį sukurti sunku, nes reikia, kad kubitai būtų izoliuoti nuo aplinkos, bet būtinai sąveikautų vieni su kitais, nes kitaip nebus paralelizmo ir kvantinis kompiuteris nebus galingesnis už kalkuliatorių. Didinant kubitų skaičių kvantiniame kompiuteryje, stiprėja dekoherencija t. y., didėja skaičiavimo netikslumai. Susidomėjimas kvantiniais kompiuteriais stipriai išaugo, kai 1994 m. mokslininkas P. Šoras iš AT&T sukūrė faktorizavimo (skaičiaus išskaidymas į daugiklius) algoritmą kvantiniams kompiuteriams. Faktorizavimas yra taikomas RSA koduose, kurie naudojami visose apsaugos sistemose ir kurių klasikinis kompiuteris negali įveikti per trumpą laiką, tačiau Šoro algoritmą naudojantis kvantinis kompiuteris tai padarytų per sekundę. 1995 m. Šoras sukūrė kvantinių būsenų kodavimo algoritmą ir klaidų (kurios atsiranda dėl išorinių trikdžių, kuriems kvantinis kompiuteris yra labai jautrus) korekciją jose. 1996 m. L. Groveris iš Lucent Technologies pasiūlė kvantinį greitos paieškos nesutvarkytoje duomenų bazėje algoritmą.

Kai kurie mokslininkai mano, kad kvantinis kompiuteris yra neįmanomas, nes prieštarauja Tiuringo tezei, kad visi kompiuteriai skaičiavimo prasme yra ekvivalentūs ir vieni gali būti simuliuojami kitu su polinominaliu (pvz., $2x$ ) sulėtėjimu. Kvantinis kompiuteris gali būti simuliuojamas kitų kompiuterių tik su eksponentišku (pvz., $2^{x}$ ) sulėtėjimu, todėl prieštarauja Tiuringo tezei. Taip pat joks egzistuojantis mažas kelių kubitų kvantinis kompiuteris nėra įrodytas, kad jis yra kvantinis kompiuteris, nes atsakymą duoda ne iš karto, o po eksponentiškai daug (priklausomai nuo kubitų skaičiaus: kuo daugiau kubitų, tuo eksponentiškai daugiau reikia pakartojimų) paleidimų. Toks, pavyzdžiui, yra IBM BMR kvantinis kompiuteris.^[2] Visi BMR kvantiniai kompiuteriai veikė be susikibimo (angl. – entanglement) savybės tarp kubitų, be kurios neįmanomas eksponentiškas paspartėjimas.^[3]

Kvantinių kompiuterių pritaikymas

Kvantinis kompiuteris būtų žymiai pranašesnis už klasikinius kompiuterius optimizavimo ir kombinatorinėse užduotyse, kai, pavyzdžiui, reikia surasti trumpiausią mašrutą, kuriuo būtų galima apkeliauti daug miestų. Tačiau, pavyzdžiui, kvantinis kompiuteris nebūtų greitesnis šachmatuose nei klasikinis kompiuteris.

Dar žymus kvantinių kompiuterių pradininkas R. Feimanas pastebėjo, kad sprendžiant užduotį su 1000 elektroninių sukinių atmintyje turi tilpti $2^{1000}$ , tai yra apie $10^{301}$ bitų. Su paprastu kompiuteriu tokie procesai modeliuojami tik labai apytiksliai. Kvantinis kompiuteris molekulių modeliavimą atliktų eksponentiškai efektyviau. Jei paaiškėtų, kad kvantinis kompiuteris yra neįmanomas, tuomet ir kvantinės fizikos simuliavimui nereikia eksponentiškos skaičiavimo galios, nes tai reikštų, kad kvantinė mechanika yra labiau (ar visai) chaotiška nei koherentiška.