XXI sajandi füüsika: läbimurre kvantarvutite maailmas

Artikli kuulamine on saadaval MINU TELEGRAM tellijatele

22. detsember 2013 kell 15:05



31177-quantum_art1_superKvantarvutustehnika rakendab ja kasutab informatsiooni töötlemiseks kvantmehhaanika imelisi seadusi ning kvantarvuti suudab hakkama saada ülesannetega, mis tavalisele arvutile üle jõu käivad. Millise etapini on aga üldse võimalik sellist seadet ehitada? Füüsik Christiane Koch on koos oma Kasseli uurimisgrupiga teinud ekspertide seas tähelepanu pälvinud avastuse. Kochi uurimistöö teeb kvantarvuti arendamise senisest veelgi kättesaadavamaks.

 

Kvantarvuti ehitamine reaalse füüsilise aparaadi kujul on olnud 21. sajandil füüsika üks fundamentaalseid ülesandeid. Praegu eksisteerib vaid piiratud arv kvantarvuteid ning nende võimekus jääb 10 kvantbiti piiridesse. Kvantarvutite suur eelis tavaliste arvutite ees on see, et nad suudavad teostada erinevaid ülesandeid palju kiiremini kui traditsioonilised arvutid. Siiani on aga kvantarvutitega seoses jäänud õhku olulised küsimused: kuidas on võimalik kvantarvutite poolt antud tulemusi tõestada?

 

Tavaarvuti ja kvantarvutused

Tavaline arvuti kasutab pikki bittide ridasid, mis on kodeeritud kas nullideks või ühtedeks. Kvantarvuti seevastu kasutab kvantbitte ehk qubitte – kvantsüsteeme, mis kodeerivad nullid ja ühed kaheks eristatavaks kvantolekuks. Kvantbitile omistatud kvantfüüsikaliste omaduste tõttu ei saa hoomata kvantbiti poolt esitatud informatsiooni selgelt määratud väärtustega. Selle asemel, et lugeda esitatud väärtusest välja kindel ‘jah’ või ‘ei’, mängib kvantbitt rohkem üldistatud halli alaga nende kahe vastusevariandi vahel, see tähendab, et kvantbitt esitab ennekõike tõenäosuse vastuse kohta kui vastuse enda. Teisisõnu, tavalised arvutid kasutavad nulle ja ühtesid kumbki/või põhimõttel, samas kui kvantarvutid kasutavad samuti nulle ja ühtesid, kuid seda superpositsiooni põhimõttel – sümbolid saavad olla nii nullid kui ühed samaaegselt ning lisaks ka igas neile vahepealses olekus.

Seega, tavalised bittidel põhinevad arvutid suudavad määrata vaid kahe oleku vahel. Keerukad operatsioonid, mis sellest eristusest olenevad, nagu näiteks kodeeritud sõnumi dekodeerimine, võtavad vastavalt ka palju aega. Teadlased loodavad, et kvantarvutite arendus hõlbustab selliste protsesside toimimist järjest suuremal määral. See on ka üsnagi võimalik ootus, sest kvantbitid ning seega kvantarvuti suudavad samaaegselt ära tunda mitut olekut, olles seega võimelised üheaegselt mitut loogilist operatsiooni läbi viima. See võib lõpuks teha võimalikuks ka selliste arvutuste lahendamise, mis senise tehnoloogia võimekuse piire ületab.

 

Kvantoperatsioonide kontrollimine

Ehkki esimesed loodud kvantarvutid suudavad tõepoolest väga kiireid arvutusi teha, on nende kvantoperatsioonide kontrollimine senini palju aega võtnud. Nimelt peab olulise informatsiooni importimine ja eksportimine toimuma endiselt traditsioonilisel moel. Lihtsustatult, mida rohkem kvantbitte kvantregistris on, seda rohkem aega ja vaeva kulub loogilise operatsiooni määramiseks. Käesolevate andmete kohaselt kulub isegi vähese hulga kvantbittide puhul lausa mitmeid päevi määramaks, kas kvantoperatsioon on täidetud nõuetekohaselt. 3 kvantbiti kontrollimiseks tuleb läbi viia näiteks 2 miljardit mõõtmist. Ning oletades, et iga mõõtmise peale läheb vaid mõni mikrosekund, kulub kogu mõõtmisprotsessi teostamiseks siiski tund. Mida suurem on kvantbittide hulk, seda rohkem juhuslikke kontrolle tuleb läbi viia: 8 kvantbiti kontrollimiseks kulub juba tervelt aasta.

Daniel Reich, Dr. Giulia Gualdi ja Prof. Dr. Koch avaldasid ajakirjas Physical Review Letters uurimuse, milles näitasid, kuidas eelpoolkirjeldatud operatsiooni on võimalik kontrollida vaid minimaalsete ressurssidega. Kasseli uurimisgrupp suutis demonstreerida, kuidas kvantoperatsioonide matemaatiliste omaduste geniaalse kasutamise kaudu on võimalik saavutada vajaliku mõõteaja märkimisväärne vähenemine. 8 kvantbiti kontrollimiseks kulub seeläbi sadade päevade asemel vaid kolm päeva.

Nüüd on kvantarvutite loojatel võimalik otsustada, mis konkreetsed lahendused on vajalikud kvantarvuti loomiseks ning oleme jällegi sammukese lähemal kvantarvutite kasutuselevõtmisele. Kasseli uurimisgrupi teooriad saavad üsna pea ka praktiliselt testitud. On suur lootus, et tulevaste kvanttehnoloogial põhinevate superarvutite loomine ei ole enam kaugel.

 

Vaata kuueminutilist lühifilmi, mis tutvustab Google’i ja NASA D Wave kvantarvutit ning selgitab kvantfüüsika põhimõtteid:

 

Allikad: Phys.org, independent.co.uk, University of Waterloo Institute for Quantum Computing

Uurimisgrupi originaalartikkel: “Optimal Strategies for Estimating the Average Fidelity of Quantum Gates,” Daniel M. Reich, Giulia Gualdi, and Christiane P. Koch Phys. Rev. Lett. 111, 200401 (2013).

Foto: evolutionofcomputers.edublogs.org

 

Toimetas Hendrik Mere