В Сандъците – Sandacite стигнахме и до квантовия компютър!

(Статията е публикувана от автора за първи път във в-к Fibank News, издание на Първа инвестиционна банка (Fibank) – бр. 110, 27 януари 2017 ==> https://www.fibank.bg/uploads/_FibankNEWS/docs/FibankNEWS_2017-110.pdf.)

Сърцето на един съвременен компютър е неговият централен процесор. Това е чип от силиций, който декодира и изпълнява инструкциите на софтуера, т.е. указва на останалите компютърни компоненти какво да правят. Процесорът е изграден от милиони малки транзистори с големина от порядъка на нанометри (1 nm = 1 милионна част от милиметъра).

От десетилетия тенденцията е размерите на транзисторите непрекъснато да намаляват, за да стават процесорите все по-мощни и по-евтини за производство. В момента „на смяна“ е 14-нанометровата технология. При нея между входа и изхода на електродите на един транзистор има слой от само 30 силициеви атома. Но когато този слой стане 4 или 5 атома, транзисторът може да престане да работи нормално – например ще се създаде ток, който да тече даже когато процесорът е изключен! Тогава, за да продължи увеличението на компютърната мощ, ще се наложи да преминем на качествено ново равнище – квантов компютър (КК).

Какво помним от физиката?

Елементарна частица е най-малката частица в природата, за която няма доказателства, че е изградена от по-малки частици. Елементарните частици се изучават от квантовата механика.

Спин е въртенето на една частица около оста й (но не само… в случая най-добре е да цитираме Стивън Хокинг – „Спинът ни показва как изглежда частицата от различни посоки“).

Квантова суперпозиция е положение в квантовата механика, според което е възможно една частица да съществува едновременно във всичките си теоретично възможни състояния. Но когато пожелаем да я изследваме и проверим в кое точно състояние е частицата, виждаме само едно възможно.

Класическият компютър записва данните като единици за информация, наречени битове, а при квантовия се използва т.н. q-bit (квантов бит). Всеки бит може да има стойност или 0, или 1, а кюбитът може да бъде и 0, и 1 едновременно – тоест, да бъде в суперпозиция. Това позволява на квантовата машина да извършва няколко изчисления успоредно и да бъде многократно по-бърза и по-мощна от обикновената.

През 1981 г. физикът Пол Беньоф създава първия теоретичен модел на КК. В основата му е т.н. машина на Алън Тюринг, замислена още през 1936 г. –  безкрайно дълга лента, разделена на малки квадратчета. Всяко от тях може да съдържа символ (0 или 1) или да бъде празно. Четящо/записващо устройство разчита тези знаци и записва нови, давайки на машината определени инструкции, които тя изпълнява под формата на зададена програма.

Но ето един проблем. Ако даден кюбит се намира в суперпозиция, при четене ще се получи само 0 или само 1, но никога и двете числа едновременно. А това е доста разочароващо, защото вместо с квантов, ще разполагаме с обикновен, класически компютър. За да се разреши този проблем, е необходимо да се приложи четене на информацията, което не накърнява квантовата система.

В квантовата физика, ако към две частици бъде приложена външна сила, възниква т.н. квантово заплитане – едната частица получава свойствата на другата. Ако измерваме спина на дадена частица, нейният „заплетен“ близнак веднага ще приеме срещуположния спин. Именно това свойство би позволило на конструкторите да разберат стойността на един кюбит, без да го измерват непосредствено.

Крехкото заплитане на кюбитите обаче може да бъде нарушено дори и от малки промени в околната температура или от външно слабо електромагнитно излъчване. Това също е проблем пред проектантите.

С КК най-усилено се занимава канадската компания D-Wave, която през септември т.г. пусна устройство с 1000 кюбита, а догодина ще видим такова с 2000 кюбита. Тези машини се създават за конкретни задачи на Google, NASA и др. – разработване на безопасни мрежи, на изкуствен интелект, търсене на далечни планети, лечение на тежки заболявания…

Но пълноценен квантов компютър все още не съществува. Необходимо е физиката да напредне още много в квантовата теория на частиците, за да може те да се използват за универсални информационни носители. Голям проблем е и охлаждането. Колкото повече кюбити използва един КК, толкова по-мощен е той. И макар че на теория машината не би трябвало да отделя много топлина, повечето прототипи използват високоенергийни лазери, за да контролират енергийното състояние на кюбитите, а така устройството става енергоемко и горещо. Дори ентусиастите твърдят, че първите масови КК ще заемат цели стаи и ще тежат тонове, подобно на мощните компютри от ХХ век в зали по 200 м², на които хората са работели от лични терминали.

А това идва да ни напомни, че всичко ново е добре забравено старо. Историята повтаря себе си.