Informatyka kwantowa i spintronika – co to jest i co to znaczy dla nas ?

O co chodzi w informatyce kwantowej ? O przetwarzanie informacji z wykorzystaniem elementów mechaniki kwantowej.Zasady informatyki kwantowej są – albo będą – zupełnie inne niż zasady informatyki klasycznej. Sama spintronika zaś zajmuje się realizacją takiej nietypowej kwantowej elektroniki w nieco szerszej praktyce, nie ograniczając się tylko do komputerów… Na czym to jednak polega? Na wykorzystaniu kwantowej właściwości elektronu jaką jest spin, czyli własny moment pędu cząsteczki. Oczywiście cząsteczka nie jest kulką, a spin połówkowy tak jak w przypadku elektronów nie ma nic wspólnego z klasycznym obrotem o 360 stopni.Elektronowi wystarczy 180 stopni obrotu by powrócić do punktu wyjścia, co jest na dobrą sprawę dla nas, w makro-świecie nieco szokujące. Mało tego: W komputerze kwantowym mamy prawdziwą rewolucję jeśli chodzi o architekturę i zasadę działania: zamiast określonych bitów mogących być zerem lub jedynką (stanem lub brakiem stanu,np napięcia) wykorzystuje się kubity (q-bity) które mogą być oboma wartościami naraz; zamiast szybkiego przetwarzania jednego rozwiązania mamy macierz stanów i przetwarzane są wszystkie możliwe dostępne rozwiązania; zamiast konkretnych wyników mamy prawdopodobieństwo (no niestety obliczenia trzeba wiele razy powtarzać by wynik miał sens) – ale zamiast setek czy tysięcy lat łamania pewnych szyfrów możemy mieć sekundy. Zaledwie 300 kubitów może podobno wystarczyć, by dokonać obliczeń na liczbach równie wielkich jak komplikacja znanego wszechświata.

Możliwości takich komputerów/urządzeń są zatem po prostu szokujące dla osób przyzwyczajonych do klasycznej informatyki. Ale zbudowanie ich jest wyzwaniem.Wyzwaniem jest zresztą nawet zaprogramowanie takich komputerów, które będzie wymagało/wymaga nieco innego paradygmatu programowania  – ale istnieje już firma D-Wave która twierdzi,że produkuje pierwsze komercyjne komputery kwantowe. Jest to jednak przynajmniej częściowo przesadzone – a w każdym razie kontrowersyjne, gdyż niektórzy badacze bardzo wątpią w realność zjawiska kwantowego wyżarzenia w przypadku urządzeń tej firmy; ze względu na istotny wpływ zakłóceń w urządzeniach D-Wave oraz brak spełniania przez to urządzenie szeregu charakterystycznych dla komputerów kwantowych wymagań; co oznacza,że realnych komputerów kwantowych jeszcze nie ma – ale narzędzia bliskie im już są…

Fotografia chipa skonstruowanego przez D-Wave Systems Inc., zaprojektowanego do pracy jako 128-kubitowy nadprzewodzący adiabatyczny procesor kwantowy optymalizacji, zamontowany w uchwyt. - wikipedia

Nie ma w tym oczywiście nic dziwnego,skoro układy komputera kwantowego będą musiały najpewniej pracować w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, a same zjawiska kwantowe podobnie jak w przypadku mikroskopii elektronowej wymagają naprawdę dobrej izolacji elektromagnetycznej i nie tylko, oprócz potężnego chłodzenia. Jest to zatem kosztowne i skomplikowane,jest to nadal wyzwanie dla inżynierów. Ale też z pewnością – jest to warte wysiłku jeśli chodzi o wykonanie obliczeń jakich nie są w stanie dokonać klasyczne komputery. Oczywiście nie znaczy to,że komputer kwantowy byłby w stanie rozwiązać wszelkie problemy,bo tak oczywiście niestety nie jest. Nie znaczy to,że byłby w stanie złamać wszystkie współczesne szyfry itd (choć większość obecnie stosowanych – owszem) Niemniej przy takiej zdolności obliczeniowej i tak „gra jest warta świeczki”. Prawdziwym problemem dla nas zwykłych użytkowników jest jednak co innego.Uzyskanie miniaturowych, sprawnych układów kwantowych gdy uzyska się prawdziwe układy kwantowe będzie jeszcze większym wyzwaniem,ponieważ miniaturyzacja przy takich wymaganiach co do temperatury i ekranowania będzie bardzo trudna i wymaga całkiem sporo materiałów i pracy. Nie oznacza to oczywiście,że domowy komputer z układem kwantowym jest niemożliwy,napiszę więcej – skoro dokonano już do tej pory (wreszcie) miniaturyzacji zegarów atomowych do niewielkich układów elektronicznych wielkości monety (i są one w sprzedaży!) to dlaczego nie ? :

https://i2.wp.com/www.popsci.com/sites/popsci.com/files/styles/article_image_large/public/images/2011/05/atomicclock.jpg

Ponadto testy z przetaktowaywaniem klasycznych procesorów jak np. AMD Buldozer który w temperaturze 4-6 Kelwinów pracował z częstotliwością ponad 8429 GHz (8,429 THz !) sugerują,że np. skorzystać z efektu chłodzenia potrzebnego dla chipów kwantowych mogą i inne podzespoły dla których takie chłodzenie powiązane z sąsiedztwem chipu kwantowego (wymagającego super-zamrażarki) byłoby korzystne – a ponieważ, aktualna architektura komputerów klasycznych nie powinna nawet mieć za wiele wspólnego z architekturą obecną, zakorzenioną głęboko w kompatybilności wstecznej to nawet dobrze. Na zmiany w tej kwestii też za jakiś czas niewątpliwie przyjdzie czas,nie ma się co oszukiwać – obecne urządzenia mają bowiem bardzo często ograniczenia wynikające z czysto historycznych przyczyn.Pytanie tylko czy te zmiany nadejdą wraz z komputerami kwantowymi,przed nimi czy po nich…

Informatyka kwantowa wymaga rozwiązania wielu naprawdę poważnych problemów,obawiam się,że miejsce większości komputerów kwantowych nawet za 20 lat będzie wciąż w laboratoriach i wielkich centrach przetwarzania danych (data center). Dlaczego ? Po prostu dlatego,że ekranowanie wszelkiego promieniowania jest problemem nie tylko niedocenianym, ale i równie trudnym tak jak problem pojemności baterii – jest bowiem zakorzeniony w fizycznych właściwościach samej materii… To dużo komplikuje.Pewne jest też, jednak że zdolności obliczeniowe takich komputerów będą podobnie jak dzisiaj nieporównywalne z przeciętnym pecetem. Tym niemniej możliwości które będą oferowały tego rodzaju urządzenia będą większe niż możliwości jakiegokolwiek komputera naukowego wykorzystującego architekturę FPGA czy GPGPU. I dokładnie oznacza to,że zwłaszcza wielkie instytucje będą dysponować ogromną mocą obliczeniową.Z jednej strony to dobrze – oznacza to bowiem w praktyce fakt,że możemy dostać dzięki temu bardziej wiarygodne produkty, za niższą cenę w przyszłości.Z drugiej strony – nietrudno się domyślić,że zagrożona może być bardziej nasza prywatność…

Wszystko jest  oczywiście jeszcze przed nami – tym niemniej z podanych wcześniej  powodów nie oczekiwałbym zbyt szybkich postępów w miniaturyzacji układów kwantowych,ponieważ będą one zapewne przez lata jeszcze kosztowne i wymagające.A póki co; co najważniejsze prawdziwych,pełnoprawnych chipów kwantowych jeszcze nie opracowano ! Tymczasem czeka nas być może inna rewolucja w technice, ponieważ chipy neuromorficzne oferują równie ciekawą drogę, bez całkowitego odrzucenia wszystkich zasad charakterystycznych do tej pory dla technologii tranzystorowej. Póki co jednak i tu znamy więcej pytań jak odpowiedzi…

Dla osób poważnie zainteresowanych tematem układów kwantowych ważna wiadomość: Z wideo-bloga Veritasium pozwoliłem sobie na wszelki wypadek załączyć 2 podstawowe materiały wideo, ponieważ osobom znającym język angielski mogą one dużo więcej niż ja teraz powiedzieć o omawianym problemie.Co więcej nawet osoby słabo znające angielski mogą skorzystać na zapoznaniu się z tymi materiałami – więc jeszcze raz gorąco polecam.:

 

Autora tego wideo-bloga też mogę raczej z czystym sumieniem polecić.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s