Kvantové počítače

OBSAH

  1. Vývoj a současné potíže klasických počítačů.
  2. Vlastnosti kvantových počítačů a odlišnosti od klasických počítačů.
  3. Využití kvantových počítačů.
  4. Fyzická realizace nosiče qubitu.
  5. Co brání rozšíření kvantových počítačů?

 

  1. Vývoj a současné potíže klasických počítačů.
  2. Snad žádná oblast vědy neprodělala v průběhu půlstoletí tak závratný vývoj jako oblast počítačových technologií. Stačí, když uvážíme, že každé dva roky dochází k dvojnásobnému zrychlení a zároveň miniaturizaci. Nasnadě je otázka, jestli existuje vůbec nějaká hranice tohoto vývoje. Domnívám se , že žádný z prognostiků by neměl tolik odvahy, aby na tuto otázku odpověděl kladně.

    Jisté však je, že klasické počítače se za určitou dobu při pokračující miniaturizaci dostanou až na úroveň mikrosvěta. Co to bude znamenat? Jak víme, při popisu jevů na úrovni atomů a molekul ustupují zákony makrosvěta do pozadí a uplatňují se zákony kvantové. Právě těchto zákonů využívají kvantové počítače.

  3. Vlastnosti kvantových počítačů a odlišnosti od klasických počítačů.
  4. Principiální rozdíl mezi klasickými a kvantovými počítači je v rozdílu realizace informačních elementů. Informace se totiž v kvantových počítačích nerealizují pomocí bitů, jakožto dvouhodnotových proměnných (0 a 1), ale pomocí tzv. kvantových bitů eboli qubitů.Základní rozdíl bitu a qubitu spočívá v tom, že qubit je libovolnou “lineární kombinací” základních stavů neboli jejich superpozicí. Superpozice vyplývají z kvantových zákonů a je to určité složení základních energetických stavů elektronů v atomovém obalu. Částice se totiž nemusí vyskytovat pouze v základních stavech, ale může být libovolně superponována z těchto stavů. Nemá pak smysl mluvit o vlastní energii částice, lze pouze zjistit pravděpodobnost, s jakou se bude při měření nacházet v daných základních energetických stavech, ze kterých je superponována.
     
     
     
    Qubit si lze také představit ja ko bo d na povrchu koule, který je zadán ve sférických souřadnicích pomocí úhlů theta a fí.
  5. Využití kvantových počítačů
  6. Mohlo by se zdát, že kvantové počítače jsou pouze důsledkem miniaturizace. Důvod, proč se uvažuje o kvantových počítačích je však docela jiný. Ukazuje se, že kvantové počítače dokážou řešit určité problémy pomocí daleko rychlejších algoritmů než počítače klasické. Tento fakt vyplývá ze samotné podstaty qubitu.

    Některé úlohy, které dokáže řešit kvantový počítač efektivněji než klasický :

    tabulka čísel : Máme rozsáhlou tabulku čísel(řádově 106) a pro každé číslo máme provést určitou, časově velice náročnou operaci. Pokud by úlohu řešil klasický počítač, musel by operaci provést pro každé číslo zvlášť. Pokud bychom však použili kvantový počítač a na vstup bychom předložili lineární kombinaci všech prvků, pak by kvantový počítač provedl jednu operaci a jako výsledek bychom obdrželi opět lineární kombinaci, “zákódovanou” stejným pravidlem, jaké jsme použili na začátku.

    Faktorizace : Máme dvě velká prvočísla (řádově 1000 platných míst) a tyto dvě vynásobíme. Počítač má za úkol určit, která dvě prvočísla to byla.

    pozn : této neschopnosti klasických počítačů se využívá v armádě a bankovnictví v tzv. veřejných šifrách, kdy pouze člověk znalý příslušného prvočísla může dekódovat veřejně přístupnou informaci

  7. Fyzická realizace nosiče qubitu
  8. V souvislosti s kv. počítači se uvažuje o tzv. ”uvězněných studených iontech” (angl. cold trapped ions) vázaných v lineární mřížce, jež konají kvantově oscilační pohyb. Pomocí laserového chlazení je iontům odebírána kmitavá energie, takže se mohou vyskytovat pouze v základních stavech. Dále lze pomocí řízeného laserového paprsku měnit stav qubitů (převod do jiných energetických stavů). Při dodané energii menší nobo větší energii potřebné k přechodu do jiného energetického stavu dojde k uvolnění zvukového kvanta (fononu), což zprostředkuje přenos informace k dalšímu iontu.
  9. Co brání rozšíření kvantových počítačů?