Ja se si

Kompjuterët Kuantikë

Apr 3 2009
0 Shpërndarje
Kompjuterët Kuantikë

Njehsimi kuantik është vazhdimësi e njehsimit klasik për të përpunuar informatën kuantike, duke përdorur sistemet kuantike, si atomet e veçanta, molekulat, ose fotonet. Teoria e kuanteve posedon potencialin që të nxitë një revolucion mahnitës në shkencën e kompjuteristikës. Kompjuterët elektronikë të ditëve të sotme pothuajse nuk janë krejtësisht te ndryshëm nga kompjuterët tërësisht mekanikë, për më tepër që operacionet e të dy llojeve mund të përshkruhen tërësisht nga fizika klasike.

Për dallim nga këta, në parim, më përfituese do të ishte të ndërtoheshin kompjuterë nga fenomeni i vërtetë kuantik, i cili dallon rrënjësisht nga modeli klasik. Duke qene se të gjithë kompjuterët kanë për synim përpunimin e të dhënave, e njëjta qëndron edhe me kompjuterët kuantikë tek të cilët njësia me imët e informatës kuantike është biti kuantik ose kubiti. Bitët e modelit klasik zakonisht kanë dy gjendje 0 dhe 1, por kubitët mund të jenë në mbipozicion linear të dy gjendjeve klasike. Kështu, kompjuterët e bazuar në teorinë e kuanteve mund të punojnë eksponencialisht me shpejt se sa kompjuterët klasikë, sepse n kubitëve ju duhen 2 numra për përshkrimet e tyre.

Origjina e Informatikës Kuantike

Informatika kuantike apo informatika e bazuar në teorinë e kuanteve, daton që nga fundi i viteve 70. Ishte koha kur shkencëtarët e fizikës dhe të kompjuteristikës, si Paul Benioff nga Laboratori Kombëtar i Argones, Charles Bennett nga IBM, David Deutsch nga Universiteti i Oksfordit dhe Richard Feynman nga Instituti për Teknologji i Kalifornisë, po diskutonin mënyrat e aplikimit të teorisë kuantike në kompjuterizëm. Ne vitin 1965, Gordon E. Moore parashikoji që në çdo dy vite numri i transistorëve të vendosur në çip do të dyfishohet. Kjo sot njihet si Ligji i Moore.

Ky parashikim i Moore, në fakt ishte tema e diskutimit të zotërinjve të përmendur më lart gjatë takimeve të tyre në fund të viteve 70. Ajo çfarë po u interesonte më shumë këtyre shkencëtarëve ishte fakti se çfarë do të ndodhte kur numri i transistorëve të vendosur në një çip do të arrinte nivelin e atomit? Kjo pyetje u debatua me vite të tëra, deri sa në vitin 1994 Peter Shor nga Instituti për Hulumtime i AT&T, përshkroi algoritmin për faktorizimin e numrave të mëdhenj eksponencialisht më shpejt se sa kompjuterët tradicional janë në gjendje të trajtojnë. Algoritmi i Peter nxiti interesim të madh tek shumica e shkencëtarëve për të gjetur mënyrën e ndërtimit të kompjuterit kuantik. Një nga këta shkencëtarë është edhe Isaac Chuang nga Qendra përKërkime në Almadën e IBM, i cili udhëhoqi ekipin për të eksperimentuar algoritmin e Shorit. Në këtë eksperiment, Chuang dhe koleget e tij krijuan molekulën e përberë nga pesë atome të fluorit dhe dy të karbonit për të vazhduar pastaj me eksperimentin e kontrolluar në ampulë, duke përdorur me miliarda molekula të këtilla për të llogaritur faktorizimin e numrit 15. Ky eksperiment pati sukses, me çka ideja për të vendosur themelet e informatikës kuantike u zhvillua akoma më shumë nga ekipi Chuang, dhe si rezultat i këtij angazhimi u zhvilluan disa algoritme që ndihmuan në realizmin e kompjuterit kuantik 3-kubitësh në vitin 1999 dhe të kompjuterit kuantik 5-kubitësh në vitin 2000.

Progresi

Duke pas në konsideratë tërë këtë angazhim të shkencëtarëve nëpër dekada, shtrohet pyetja a kemi arritur sot të ndërtojmë kompjuterin kuantik për përdorim ditor? Sipas artikullit te revistës Economist, të datuar në maj të vitit 2006, përgjigjja e pyetjes së mësipërme është “si ta fusim kubitin në shishe”? Sot, shkencëtaret po përdorin mënyrat dhe teknikat nga më të ndryshmet për të realizuar këtë! Një metodë është të bombardohet kubiti me mikrovalë. Kubiti duhet të mbahet larg nga bashkëveprimi me objektet e tjera, në mënyrë që të ruajë mbipozicionimin e tij kuantik. Një grup tjetër i shkencëtareve ka arritur të fus atomin e nitrogjenit në brendi të sferës së krijuar nga gjashtëdhjetë atome karboni. Ata përdorën elektronet e saj si një kubit i vetëm.

Një qasje tjetër, përdor jonet (atomet e ngarkuara me elektricitet) e vendosur në kurth, duke lëkundur valët elektromagnetike si kubite të saj.

Në vitin 2005, një ekip hulumtuesish nga Universiteti i Miçiganit arriti të realizonte çipin gjysmëpërçues që shërbente si kurth e joneve. Pajisja u ndërtua nga teknikat standarde të litografisë. Kjo u pa si një mundësi e mirë për të prodhuar kompjuterët kuantikë. Qasja e tretë, e zhvilluar nga ekipi për hulumtim në Laboratorin për Hulumtime të Hitachi në Kejmbrixh, vlerësohet t’i afrohet konceptit praktik. Ideja e ekipit bazohet në përdorimin e çipave ekzistues nga silici për të ndërtuar kompjuterin kuantik përmes prodhimit të “pikave kuantike”, grimca të materialit që do të shërbejnë si kubite në sipërfaqet e tyre. Pastaj, këto pika do të përdoren nga strukturat me shkallë te gjerë për të krijuar diçka të përngjashme me kompjuterin e vërtetë, se sa vetëm një kureshtje laboratorike. Vërtet, te gjithë elementet e duhur për një kubit gjysmëpërçues u krijuan në këtë laborator, me çka edhe disa nga këto elemente u bënë që të punojnë së bashku. Me gjithë këtë, qarku i plotë ka mbetur për tu vërtetuar. Kombinimi i teknikave për ftohje të cilësisë se lartë dhe zhvillimi i materialeve të reja, mbase do të mundësojë që kompjuteri kuantik të bëhet realitet. Sot, grupe të shumta shkencëtarësh po punojnë në drejtime të ndryshme për të tejkaluar pengesat aktuale që u shfaqën si rezultat i eksperimenteve të shtuara laboratorike.

Faza e hershme

Informatika kuantike akoma është në fazën e hershme të zhvillimit të saj dhe teknologjia e nevojshme për ndërtimin e kompjuterit kuantik praktik është larg me vite. Pjesa dërmuese e hulumtimeve të bëra deri më tani në informatikën kuantike mbesin akoma vetëm koncepte teorike. Kompjuteri kuantik duhet të ketë në dispozicion disa qindra kubite për të qenë në gjendje të zgjidh problemet në botën reale dhe kështu të shërbejë si sistem i zbatueshëm për njehsim. Kompjuterët kuantikë më të avancuar nuk kanë arritur akoma të operojnë më më shumë se 7 kubite, që do të thotë se ata akoma janë në fazën e “1 + 1”. Megjithatë, vazhdohet të besohet se kompjuterët kuantikë një ditë do të jenë në gjendje të kryejnë shpejt dhe lehtë llogaritje të cilat u marrin shumë kohë kompjuterëve të sotshëm.

Fuqia e informatikës kuantike vjen nga paralelizmi kuantik. Megjithatë, shfrytëzimi i kësaj fuqie është e ndërlikuar. Ne paralelizmin klasik, zvogëlimi eksponencial ne kohë kërkon rritjen eksponenciale të numrit të procesorëve. Në sistemet kuantike, hapësira llogaritëse rritet eksponencialisht me numrin e grimcave! Truku qëndron në faktin se përderisa sistemi kuantik mund të kryejë llogaritje paralele masive, qasja e rezultateve kërkon sistem masash të cilat mund të çrregullojnë gjendjen kuantike të sistemit.

Gradualisht pengesat po kapërcehen, me çka do të sigurohen njohuritë e nevojshme për t’i shtyrë kompjuterët kuantikë deri në pozitën e duhur si makinat llogaritëse më të shpejta ekzistuese. Prapë se prapë, disa nga pengesat e mëdha vazhdojnë të jenë prezent duke na penguar që të ndërtojmë një kompjuter kuantik, ose më mirë të thuhet të ndërtohet kompjuteri kuantik, i cili do të sfidojë kompjuterin dixhital modern të sotëm. Në mesin e këtyre pengesave, korrigjimi i gabimeve, dekoherenca dhe arkitektura harduerike me sa duket janë më të vështirat. Korrigjimi i gabimeve është mjaft vetëshpjegues, atëherë cilët gabime kanë nevojë për korrigjim? Kryesisht, përgjigja bazohet në gabimet që shkaktohen si rezultat i drejtpërdrejt nga dekoherenca, ose tendenca e kompjuterëve kuantikë të dobësohen nga gjendja e dhënë kuantike në një gjendje të palidhur përderisa bashkëvepron, ose ngatërrohet me gjendjen e mjedisit.

Të gjitha këto fenomene e pajisin kompjuterin kuantik me aftësi të caktuara që nuk mund të arrihet, as edhe parim, nga asnjë kompjuter klasik. Ndonëse, mjerisht këto fenomene kuantike në mënyrë të veçantë janë prekëse në aspektin e zhurmës dhe papërsosurisë së makinës. Duhet gjetur një skemë e cila tejkalon këto vështirësi në qoftë se synohet që një ditë kompjuterët kuantikë të bëhen pajisje praktike.

Bashkëveprimet mes mjedisit dhe kubitëve janë të pashmangshme dhe shkaktojnë dobësim të informatës së ruajtur në kompjuterët kuantik, dhe kështu edhe gabimet në llogaritje. Para se ndonjë kompjuter kuantik të jetë në gjendje të zgjidhë probleme të vështira, hulumtimi duhet sajojë mënyrë për të mbajtur dekoherencën dhe burimet e tjera potenciale të gabimeve në një nivel të pranueshëm. Një arsye tjetër se përse informatika kuantike akoma konsiderohet të jetë në fazën e saj të hershme është edhe fakti se hardueri i kompjuterit kuantik ndodhet në hapat e parë të zhvillimit të tij.

Aktualisht, hulumtimet po ecin në drejtim për të gjetur metodat e luftimit të efekteve shkatërruese të dekoherencës, për të qenë në gjendje të zhvillojnë një arkitekture harduerike optimale për dizajnimin dhe ndërtimin e kompjuterit kuantik si dhe të shpalosin me tutje algoritmet për përdorim të fuqisë së shkëlqyeshme që këto pajisje e posedojnë.

Mundësitë

Po të shikojmë mbrapa në të kaluarën, vërejmë që paraardhësi i kompjuterit personal të sotshëm ka peshuar 30 tonë dhe ka qenë i pajisur me 19,000 gypa katodikë, 1,500 rele dhe qindra mijëra rezistorë, kondensatorë dhe induktorë, që të gjithë së bashku konsumonin përafërsisht 200 kilowatt energji elektrike. Kompjuteri ENIAC ka qenë kompjuter i mrekullueshëm i kohës së vet, i aftë të llogariste prodhimin e dy numrave 10 shifrore për vetëm 2.6 milisekonda. Kompjuterët kuantikë ofrojnë fuqi llogaritëse të jashtëzakonshme, posaçërisht në varësi me madhësinë e tyre. Sipas Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë, kompjuteri kuantik me 300 kubite potencialisht ofron me shumë fuqi përpunuese se sa kompjuteri klasik që do të përmbante aq shumë bite sa ka grimca në univers. Gjithashtu, Philip Dunn na tregon që kompjuteri kuantik teorikisht përmban më shumë fuqi përpunuese se sa truri i njeriut në një hapësirë të vogël. Megjithatë, realiteti njëherë për njëherë qëndron në faktin që një kurth që do përmbante disa jone të ngarkuara kërkon hapësirë strehimi prej 0.03 metër kub. Shto këtu, që numri i madh i sistemeve elektronike dhe lazerike, të cilët përdorin jonet, kërkojnë hapësirë të konsiderueshme të akomodimit. Mbase, një ditë shkencëtarët do të gjejnë mënyrat e ndrydhjes të më shumë se 1 miliardë kubite të atomeve neutrale në një procesor me madhësi më të vogël se një sheqer kubi. Për arsye të fuqisë eksponenciale që kompjuterët kuantikë ofrojnë, atëherë sigurisht edhe aplikacione interesante do të zhvillohen.

Aplikacionet

Gjurmuesit e hershëm në këtë fushë ishin të eksituar nga potenciali i një fuqie llogaritëse të pafund dhe porsa kuptuan këtë potencial iu rreken gjetjes së diçkaje interesante me të cilën kompjuterët kuantikë do të merreshin. Kështu, Peter Shor realizoi një aplikacion duke sajuar algoritmin e parë për kompjuterin kuantik. Algoritmi i Shor shfrytëzon fuqinë e mbipozicionimit kuantik që në mënyrë të shpejtë të faktorizon numra shumë të mëdhenj (të rregullit ~10200 shifra dhe më shumë) për pak sekonda. Aplikacioni i parë i kompjuterit kuantik i aftë për të implementuar këtë algoritëm ndodhet në fushën e enkriptimit ku një kod enkriptimi i rëndomtë (dhe më i mirë), i njohur si RSA bazohet kryesisht në vështirësitë e faktorizimit të numrave të mëdhenj të përbërë në primet e tyre. Kompjuteri që do të mund ta bëjë këtë në mënyrë të lehtë natyrisht që do te jetë me leverdi të madhe për agjencitë e shumta qeveritare që përdorin RSA, më parë të njohura si të pa deshifruara, si dhe për çdo kënd i interesuar në privatësinë elektronike dhe financiare. Megjithatë, enkriptimi paraqet vetëm njërin aplikacion të kompjuterit kuantik. Veç kësaj, Shor ka përmbledhur së bashku një pako veglash të operacioneve matematikore të cilat mund të ekzekutohen në kompjuterin kuantik, shumë nga të cilat ai i ka përdorur në algoritmin e tij për faktorizim. Gjithashtu, Feynman ka pohuar që kompjuteri kuantik mund të funksionojë si lloj i simulatorit të fizikës kuantike, potencialisht duke hapur dyert zbulimeve të shumta në këtë fushë. Hulumtimet në palosjen e proteinave me qëllim të zbulimit të ilaçeve te reja, vlerësimi i modeleve fizike të ndryshme të universit, të kuptuarit e superpërçuesve të rinj, ose projektimi i kompjuterëve kuantikë do të kërkojë më shumë fuqi përpunuese nga kompjuterët klasikë, se sa ajo qe supozohet se do të ekzistojë në tokë në dekadën e ardhshme. Prapë se prapë, meqë kompjuterët kuantikë mund te paraqesin një vlerë eksponenciale te informatës, atëherë ata mund t’i bëjnë këto gjurmime të shtruara.

Konkluzioni:

Kompjuteri kuantik paraqet një alternativë premtuese të kompjuterit të së ardhmes. Edhe pse aktualisht fuqia dhe mundësitë e kompjuterit kuantik kryesisht janë arsyetime teorike, realizmi i kompjuterit të parë kuantik plotësisht funksional në një të ardhme të afërt pa dyshim do të hapë rrugët për zhvillimin e aplikacioneve të reja me interes të veçantë

Lajmet e fundit>