Kvantna fizika, oblast nauke koju niko ne razume ali koja daje neverovatno dobre rezultate danas je praktično nezaobilazna tema kako u naučnim tako i u širim društvenim krugovima. Kvantnom fizikom se bavi i medicina, filozofija, biologija, psihologija, neurologija, informatika, matematika ali i razni mešetari i prodavci magle koji se već igraju sa kvantnim stanjima čestica na nivou ćelija pa „leče“ mnoge bolesti, neki razgovaraju s bogom koristeći kvantnu teleportaciju a neki već uveliko preko spina kvantne čestice leče naše strahove, menjaju svest i prizivaju ljubav.
Pretpostavljam da ta priča naučnika da niko u suštini ne razume kvantnu mehaniku je odmah privukla one koji bi da na brzinu zarade na ljudskom neznanju, lakomislenosti i neobaveštenosti. Naravno, priča da niko ne razume kvantnu mehaniku je malo nategnuta. Kvantna mehanika ima svoje zakone, čestice na mikronivou se povinuju zakonima fizike i sve to lepo i skladno funkcioniše u našoj objektivnoj stvarnosti. Ono „ne razumemo“ se pre svega odnosi na nepoklapanje ponašanja makro i mikrosveta. Elektron i kamen nisu iste stvari niti se ponašaju na isti način pa odatle potiče to nerazumevanje. Kamen kao fizički objekat je prisutan u našoj svesti i ispred naših očiju oduvek dok elektron još nikada niko nije uspeo da vidi na bilo koji način. Naravno da je elektron čudna tvorevina jer kako da zamislimo nešto što se mora okrenuti oko sebe 2 puta da bi mu spoljašnji svet ostao isti. Mi smo materijalni objekti sa spinom +1 što konkretno znači da ako se okrenemo oko sebe za 360 stepeni nalazićemo se u poziciji iz koje smo krenuli u obrtanje i ništa se neće promeniti u našem čulnom pogledu na svet. Iz tog iskustva naravno ne razumemo kako je elektronu potrebno da se dva puta okrene oko svoje ose da bi se našao na položaju iz koga je krenuo u obrtanje.
Čestice na mikronivou, među njima i elektron koji je kao što (pretpostavljam) znamo jedna od osnovnih gradivnih opeka našeg sveta, nezamenjivi sastojak svakog atoma, ima još čudnijih osobina od ovog što smo pomenuli. On ima tu čudnu osobinu da je na neki uvrnut način svuda, dok ga ne nateramo neće da zauzme konkretno, klasično stanje. To „prisiljavanje“ elektrona ili neke druge čestice da se „smiri“ u stvari predstavlja ono što uvodi u kvantnu mehaniku pojam verovatnoće, odnosno slučajnosti ili za one koji vole filozofiju pojam slobodne volje. Malo čudno zvuči korelacija između „prisiljavanja“ i „slobodne volje“ ali ovo je svet kvantne mehanike, ne zaboravite da se elektron mora okrenuti dva puta oko svoje ose da bi ponovo bio u istom položaju. Ali nije to sve, kvantne čestice imaju još čudnijih svojstava, a svakako najčudnije je „sablasno“ dejstvo na daljinu. Poznato je da elektroni u atomu mogu postojati samo u diskretnim stanjima energije. Ako se elektron u atomu spusti za dva energetska nivoa on će emitovati dva isprepletena fotona. Ti fotoni mogu otići u potpuno različitim pravcima ali koliko god vremena proteklo od trenutka njihovog emitovanja, merenjem spina jednog fotona (a to je moguće), drugi foton će automatski biti nateran da zauzme suprotan spin od izmerenog na prvom fotonu. Da, znam da se svi pitaju kako je to uopšte moguće i pre svega kako se to zna. Verujem da je dovoljan dokaz činjenica da je za takav eksperiment dodeljena Nobelova nagrada. Dakle, onaj drugi foton je nekako znao da meranjem spina prvom fotonu radimo nešto što ga „tera“ da zauzme definitivno, klasično stanje. Ovde nemamo nikakav uticaj koji se širi brže od svetlosti i time ruši Ajnštajnovu specijalnu teoriju relativiteta. Ovde imamo čistu telepatiju.
Ovome svakako moramo da dodamo i takozvani tunelski efekat na kome su bazirane i današnje tunel diode koje imaju izuzetnu primenu u elektronici. Zamislimo elektron koji nema dovoljno energije da preskoči neku barijeru. E sada elektroni su pomalo tvrdoglavi stvorovi pa i pored toga što „znaju“ da nema šanse oni ipak pokušavaju i pokušavaju. Čudno, ali s vremena na vreme neki od njih se iznenada pojavi sa druge strane barijere. Da li ju je preskočio ili je nekako prošao kroz nju za sada niko ne zna ali taj efekat je izuzetno koristan i uveliko se eksploatiše u modernoj tehnici. E sada, zašto sve ovo pišem? Pa ideja mi je bila da pokušam objasniti šta je to kvantni računar i kako on radi iako sam poprilično pesimističan kada se radi o takvom pokušaju. Kvantni računari su tek izvađen krompir iz vatre i teško je sa većim samopouzdanjem pisati o njima. Prvo da pokušamo definistati nešto što se zove kvantno stanje. Kvantno stanje se zasniva na osobini superpozicije kvantne čestice. Kvantna čestica parcijalno postoji u više različitih stanja. Recimo ako imamo dva moguća stanja elektrona on postoji i u jednom i u drugom i u oba paralelno. Dakle za razliku od klasičnog binarnog stanja 0 ili 1, ima ili nema struje, kvantno stanje čestice ima neku ternarnu strukturu : 0 ili 1 ili 0 i 1. S druge strane pošto čestica paralelno postoji u više različitih stanja to odmah „miriše“ na nešto što klasični računari nikako ne mogu, paralelnu obradu informacija. Ako je čestica i tamo i ovamo onda se njom možemo služiti na obe grane paralelno a to nagoveštava neverovatne mogućnosti. Sa jednom česticom ne toliko ali sa više njih definitivno se stvari drastično menjaju.
Ako sa klasičnim računarom za neko vreme možemo izvršiti n operacija, sa kvantnim računarom u isto to vreme možemo izvršiti 2n operacija, dakle brzina rada kvantnog računara eksponencijalno raste sa porastom broja operacija. Ono što je najveći problem kod ovog računara je dekoherencija kvantnog stanja. To je onaj momenat kada nekim dejstvom nateramo kvantnu česticu da zauzme klasično stanje, tj. izmerimo neki njen parametar na neki način. U suštini bilo kakav poremećaj sistema će naterati kvantnu česticu da zauzme neko određeno stanje u procesu urušavanja njene talasne funkcije. Dakle da bi napravili kvantni računar moramo da mesto gde se izvode operacije sa kjubitima izuzetno dobro zaštitimo od bilo kakvog spoljašnjeg uticaja. To se danas postiže pod specijalnim okolnostima u okruženju koje radi na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli. Kako se u makrosvetu konstruiše kjubit? Kjubit je realizovan kao magnetni dipol u superprovodnom stanju. Struja u njemu se indukuje iz fluksa Fi1. Jedan smer struje kroz kalem sa fluksom Fi1 indukuje struju u dipolu sa magnetnim momentu orjentacije vertikalno naviše, a druga struja indukuje momenat vertikalno naniže. Magnetni momenat je analogija spinu kod elektrona. Ali ako preko Džozenfonovog spoja indukujete Fluks F2 koji je popreačan na F1 desiće se nešto čudno. Superprovodnost dozvoljava da u intervalu čak desetog dela mislisekunde, magnetni momenat postoji u oba stanja, dakle kvantno je spregnut. Verovali ili ne, ali u tom intervalu odsustvo otpornosti dozvoljava da sva struje teče i u jednom i drugom smeru. Fizika upravo ovog fenomena je iskorišćena za konstrukciju makroskopskih kjubita koji zadržavaju sve četiri gore navedene kvantne osobine.
Poslednja verzija kvantnog procesora realizovana je na 512 kjubita i radi na temperaturi od 20 mili Kelvina u veoma visokom vakuumu. Sa pojavom prve realizacije nameće se šarenilo mogućnosti daljeg konstruisanja kvantnih računara, na primer gejtovni, topološki, adijabatski, na različitim osnovama: superprovodni, fotonski i tako dalje. Jedno je sigurno, ova tehnološka oblast dobiće veliki rast u narednom periodu. Ideja o kvantnim računarima je stvorena još 80-ih godina XX veka i već tada su razne strukture bogatih zemalja uvidele potencijal i ulagale značajan novac u istraživanja, pa su tako na raznim svetskim univerzitetima i u kompanijama nastajali prototipovi, koji beleže veliki razvoj i napredak. Današnji kvantni kompjuteri su izuzetno osetljivi, sačinjeni od svega nekoliko kjubita, ali ipak u eksperimentalnom smislu predstavljaju dokaz o praktičnoj mogućnosti izgradnje ovih inovativnih računara. Većina današnjih kvantnih kompjutera se koristi na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, zbog specifičnih osobina superprovodljivosti, koje se javljaju na tim temperaturama. Veliki napredak se ostvaruje i u kontroli i povezivanju kjubita, ali je i dalje problem kvantne dekoherencije sveprisutan. Naime, sposobnost superpozicije se gubi kod kompjutera većih dimenzija od nekoliko kjubita kad na sisteme deluje i najmanja sila iz spoljašnje sredine, što znači da oni faktički postaju klasični računari. Do sada nije pronađeno rešenje za ovaj problem u dizajnu kvantnih računara, a mnogi stručnjaci iz ove oblasti, kao što je Ralf Lander (IBM) smatraju da se problem dekoherencije nikada neće u potpunosti rešiti. Moguće rešenje mogli bi biti kvantni kompjuteri bazirani u dijamantima, koji minimalizuju problem dekoherentnosti. Verovatno i najveći proboj na ovom polju načinjen je 2011. godine kada je kanadska kompanija “D wave systems” konstruisala do sada najveći računar ovog tipa sačinjen od 128 superprovodnih kjubita, koji su prespojeni sa preko 24 000 Džozefsonovih spojeva, koji su izrađeni od superprovodnika, tako da čitav ovaj sistem radi u kriogenom okruženju (temperaturama blizu apsolutne nule) i ima dimenzije omanjeg automobila, što podseća na prve digitalne kompjutere u svojim začecima. Postoje kontroverze oko toga da li je ovo zaista kvantni računar ili ne, ali činjenica je da ga je američka svemirska kompanija Lokid Martin, uvidevši njegovu perspektivu, kupila za 10 miliona dolara. Osnovne paradigme kvantne informatike su sledeće:
- 1. Kreativnost se ogleda u preslikavanju matematičkog problema na konfiguraciju kjubita. Drugim rečima, samo problemi koji imaju prirodnu korespodenciju imaju mogućnost da budu kvantno procesirani.
- 2. Problem merenja usled okruženja, tj. dekoherencija iz kvantnog paralelizma u klasično redukovano, je u stvari očitavanje rešenja. Delikatnost se sastoji u tome što samo okruženje može spontano izazvati ovaj efekat što izuzetno komplikuje ceo proces.
Na osnovu tačke 1. paradigma kvante informatike biće neprikosnovena u sledećim oblastima:
- – Obuka mašina i veštačke neuronske mreže,
- – Problem kriptografije i dekriptografije, tj. mogućnost prenosa dela informacije apsolutno kodiranom i trenutno. Lako rešavanje faktorizacija ogromnih brojeva na kojima počivaju aktuleni modeli dekriptografije.
- – Problemi optimizacije,
- – Modeli pretraživanje uzoraka pogotovu u biomolekuralnoj nauci
Kako stoje stvari, kompletna fizika će ubrzo doživeti poprilično prevrednjavanje najverovatnije usled koncepta kvantne informacije koja je izgleda fundamentalnija od materije. Biće zanimljivo pratiti proces usvajanja novog, takozvanog informacionog polja, a dok se ono bude demistifikovalo da rezimiramo neka ograničenja kvantnih vs klasičnih računara: Rešivost problema je ista, razlika je samo vreme rešavanja. Vreme rešavanja za klasični računar je linearno kraće u zavisnosti od broja bitova procesora. Kod kvantnog računara, zahvaljujući paralelizmu, vreme realizacije je eksponencijalno kraće u odnosu na broj kjubita. Uslovno rešiv problem za klasični (rešavanje traje godinama), lagano je rešiv za kvantni. Nerešiv problem za klasični računar, nerešiv je i za kvantni računar.