Calculatoarele cuantice – calculatoarele viitorului
Yüklə 18,44 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Bibliografie
|
Calculatoarele cuantice – calculatoarele viitorului În anul 1965, co-fondatorul Intel Gordon Moore, prezicea că numărul tranzistorilor dintr-un circuit integrat se va dubla o dată la aproximativ 2 ani. Evident, acest lucru implică înjumătățirea dimensiunii unui tranzistor și o dublare a performanțelor pentru un preț fix considerat. Surprinzător, evoluția microprocesoarelor din ultima jumătate de secol a fost în concordanță cu predicția lui Moore, acest fapt ducând la recunoașterea ei sub denumirea de “legea lui Moore”. Deși evoluția din ultimii 50 ani este impresionantă, o privire în viitorul nu foarte îndepărtat al calculatoarelor este năucitoare. Atomul – ultima frontieră ? Dimensiunea unui tranzistor din interiorul unui procesor Intel Haswell (arhitectură lansată in iunie 2013) este de 22nm (pentru comparație, diametrul unui fir de păr uman variază intre 17.000 nm și 180.000 nm). Este evident că dimensiunea unui tranzistor nu poate fi mai mică decât dimensiunea unui atom de siliciu, iar aceasta este de 0.222 nm. Astfel, dacă luăm în considerare dimensiunile actuale ale unui tranzistor, dimensiunea minima posibilă din punct de vedere teoretic (greu de atins în practică!) și legea lui Moore, constatăm că în maxim 13 ani vom atinge acest prag tehnologic, iar în lipsa unor tehnologii alternative, singura metoda de a mări performanțele unui microprocesor ar fi aceea de a-i mari dimensiunile, ceea ce este împotriva progresului. Din fericire, există mai multe alternative pentru calculatoarele clasice, printre care calculatoarele cuantice (bazate pe fenomenele mecanicii cuantice), calculatoarele chimice (bazate pe reacții chimice), calculatoarele biologice (pe baza de ADN, calculatoarele optice (bazate pe fenomene optice). În cele ce urmează voi prezenta principalele caracteristici și principii ce stau la baza calculatorului cuantic, noțiune ce a fost introdusă în 1980 de către Yuri Manin si in 1981 de către Richard Feynmann (câștigător al premiului Nobel pentru fizică) și are la bază fenomene ale mecanicii cuantice,cum ar fi cel de superpoziție (proprietate a unei particule de a se afla în toate stările posibile simultan). De la BIT la QUBIT Un calculator clasic lucrează cu informația memorată sub forma de biți, unde fiecare bit poate avea valoarea 0 sau 1 la un moment dat. Un calculator cuantic lucrează însă cu qubiți, iar aceștia au o proprietate deosebită: la un moment dat pot avea valoarea 0, 1, sau o superpoziţie cuantică a acestor două stări, adică ambele stările simultan. Mai mult decât atât, o pereche de qubiți se poate afla într-o superpoziţie de 4 stări (combinațiile 00, 01, 10, 11 simultan), iar 3 qubiți se pot afla într-o superpoziție de 8 stări (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 simultan). Generalizând, putem spune că un calculator cuantic cu n qubiți se poate afla într-o superpoziție de 2n stări, ceea ce înseamnă că o stare a unui calculator cuantic cu n qubiți poate fi memorată pe un calculator clasic cu 2n biți. Despre qubiți și superpoziția cuantică… Un qubit poate fi implementat folosind particule subatomice, de exemplu electroni. Aceste particule au o proprietate bivalentă numită spin (practic sensul de rotație al particulei în jurul propriului său centru de masă). Datorită superpoziției, o particulă subatomică poate avea ambele direcții de spin simultan, însă acest lucru este posibil doar în lipsa unui observator. În momentul în care particulele sunt monitorizate, acestea ajung în stări concrete, qubiții devenind practic niște biți clasici. Fenomenul este greu de înțeles chiar si de către fizicieni (însuși Richard Feynman afirma: “dacă crezi că înțelegi mecanica cuantică, înseamnă ca nu o înțelegi”) însă se poate demonstra prin… Experimentul cu 2 fante al lui Thomas Young În fața unei pelicule fotografice este plasat un ecran opac cu 2 fante, apoi pe ecran este proiectată o lumină monocromatică. Pe pelicula fotografică vor apare mai multe linii verticale, paralele. Inițial s-a presupus că acest model apare datorită interacțiunii dintre particulele de lumină (fotoni), însă cercetătorii au repetat experimental bombardând ecranul cu fotoni individuali, eliminând posibilitatea interacțiunii dintre fotoni. Teoretic, modelul de pe pelicula fotografică ar fi trebuit să dispară, însă, surprinzător, modelul a rămas același. Explicația fizicienilor a fost aceea că fotonii individuali au urmat toate traiectoriile posibile: nu au trecut prin nicio fanta, au trecut doar prin prima fanta, doar prin a doua fanta sau prin ambele fante simultan (superpoziţie). Pentru a-și demonstra teoria, cercetătorii au montat lângă fante senzori care să detecteze traiectoria fotonilor, apoi au repetat experimentul. Rezultatul de pe pelicula fotografică a fost de această dată uluitor: modelul cu linii paralele verticale nu a mai apărut. Explicația acestui fenomen este una singură: însăși prezența observatorului (a senzorilor) face ca fenomenul de superpoziție să dispară. Utilizarea unui calculator cuantic Fenomenul de dispariție al superpoziției a condus la elaborarea unei metode de rezolvare a problemelor cu ajutorul unui calculator cuantic: qubiții sunt setați inițial pentru a reține datele de intrare, apoi sunt manipulați cu ajutorul porților logice cuantice. Această manipulare poartă denumirea de algoritm cuantic. La terminarea algoritmului, valorile qubiților sunt citite, proces în urma căruia qubiții iau valori concrete, obținându-se astfel datele de ieșire în aceeași forma în care sunt obținute și cu un calculator clasic. Cu toate acestea, atunci când se citesc valorile qubiților nu se poate determina în care dintre stările concrete vor ajunge, deci rezultatul va fi cel așteptat doar cu o anumita probabilitate ce poate fi calculată. Corectitudinea rezultatului poate fi verificată cu ajutorul unui calculator clasic, sau se pot repeta pașii de rezolvare a problemei până când se găsește un rezultat corect (cu o probabilitate suficient de mare). Ambele metode sunt eficiente datorită vitezei de lucru a unui calculator cuantic (în cazul 2) și datorita faptului că, de cele mai multe ori, verificarea corectitudinii unui rezultat se face mult mai rapid decât rezolvarea problemei (în cazul 1). Se poate folosi și o abordare mixtă, și anume verificarea rezultatelor tot cu un calculator cuantic și calcularea probabilității ca rezultatul final să fie cel corect, în funcție de probabilitățile pentru cele două procese (generarea și respectiv verificarea soluției). Trebuie precizat faptul că un algoritm ce rulează pe un calculator clasic poate rula si pe un calculator cuantic (și invers), și faptul că există algoritmi ce pot fi implementați mai eficient pe un calculator cuantic decât pe un calculator clasic, cum ar fi algoritmul lui Shor pentru descompunerea în factori primi a numerelor, lucru “greu” de făcut (în sensul timpului de execuție al unui algoritm) pe un calculator clasic. Calculatoarele cuantice, mai aproape decât credem Deși cele prezentate par să țină de domeniul SF, în ultimii ani s-au făcut progrese majore în ceea ce privește construirea și utilizarea calculatoarelor cuantice: în 2009, cercetătorii de la Universitatea Yale au realizat cu succes un calculator cuantic cu 2 qubiți și au rulat cu succes algoritmi elementari, iar în 2011 ce de la Universitatea Bristol au realizat un calculator cuantic cu 4 qubiți si au rolat cu succes algoritmul lui Shor, descompunând în factori primi numărul 21 și mai apoi numărul 143. Se presupune așadar că în aproximativ 10 ani calculatoarele cuantice vor fi disponibile publicului larg, înainte ca legea lui Moore si tranzistorii clasici să ajungă într-un impas. Bibliografie
Yüklə 18,44 Kb. Dostları ilə paylaş:
|