Článek
Pohled laika na paralelní kvantový svět a kvantový počítač
B. Kočárek
Úvod
Kvantová mechanika je věda, která zkoumá zákonitosti světa částic menších než atom. Její začátky jsou tu s námi už skoro 100 let. Dlouho působila spíš jako podivná „hra pravděpodobností“ než jako fyzika v klasickém smyslu. Přesto právě z ní vyrostly moderní technologie, od laserů přes tranzistory až po kvantové počítače. Ty dnes už nejsou sci-fi, ale realitou, i když zatím spíše v laboratořích než doma na stole. Kvantový počítač pracuje na principech, které jsou pro běžnou představu obtížně uchopitelné. Ale právě využití těchto principů je podstatné pro oblasti jako je šifrování či modelování složitých systémů.
Co je to „kvantové myšlení“?
Vědecký výklad říká: stav systému se v procesu mění, může existovat ve více možnostech najednou a až pozorování jej „přinutí“ vybrat si jednu z nich. Einstein to s nadsázkou nazýval „strašidelným působením na dálku“.
Jak si to představit na něčem reálném?
Představte si středověké bitevní pole. Tady se dva mlátí mečem, támhle leží desítky mrtvých, jinde jízda získává převahu. Na kopci se ale šikuje celé vojsko, to má nejlepší pozici, šanci zvítězit. Vojevůdce dává signály po hláskách (hradlech), aby jednotlivá křídla spolupracovala a posílila nadějná místa. Kvantový počítač dělá něco podobného: hledá kde je pravděpodobnost nejlepšího seskupení prvků (stavu qubitů) v procesu a ta místa podporuje.
Už od svého počátku vzbuzovala kvantová teorie rozpaky a tak názory vědců na kvantovou mechaniku nebyly vždy příznivé:
- Feynman: „Ne všichni, kteří o tom hovoří, tomu rozumí.“
- Einstein: „Bůh nehraje v kostky.“ (Nechtěl připustit, že by příroda byla řízena pouhou náhodou.)
- John Bell: „Kodaňský přístup je mlžení.“
- Bohr a Heisenberg: „Kodaňská interpretace není vysvětlení, ale vyhýbání se vysvětlení.“
Jinými slovy, i zakladatelé kvantové teorie přiznávali, že principům úplně nerozumíme, ale víme, že fungují.
Můj názor: Kvantová mechanika se odlišuje od klasických exaktních oborů. Nepracuje s jednoznačnými stavy, čísly a pevně danými výsledky, ale s tendencemi a pravděpodobnostmi, které ukazují, co může nastat. Kvantový počítač nepostupuje krok za krokem jako klasický stroj. Místo toho nechává mezivýsledky (stavy qubitů) (základních stavebních kamenů kvantového procesu) existovat ve (všech) superpozicich. Každý qubit může být zároveň 0 i 1, a to v různých poměrech. Qubity se vzájemně ovlivňují, rezonují a vytvářejí kombinace, které zvyšují pravděpodobnost správného výsledku. Převzatý příměr: klasický počítač hledá správnou složku v šuplíku tím, že je otevírá jeden po druhém. Kvantový počítač „vidí“ do všech šuplíků najednou a hned zvýrazní ten, kde je největší šance najít nejpravděpodobnější správnou odpověď.
Za oponou mé představivosti zůstává, jak lze převést vstupní konkrétní parametry na vlivy, tendence, na souznění částic a jejich provázání.
Proces v kvantovém počítači se odehrává v prostředí čipu chlazeného na teplotu blízkou absolutní nule, což pomáhá urychlit procesy. Pomocí laseru nebo elektromagnetických polí se qubity a jejich kombinace tvarují, dokud nezačnou ukazovat nejpravděpodobnější řešení.
Základní kvantové jevy můžeme popsat na příměrech:
- Dualita částice a vlny ~ foton je někdy jako, „ťukající kulička s ozvěnou“, jindy vlna. Příměr: kapka vody, která projde oběma stranami houby různými směry současně.
- Neurčitost (Heisenbergův princip) ~ čím přesněji víme, kde částice je, tím méně víme, kam letí. Příměr: Vyfocený tenisový míček je určitě nad sítí! Letí k jednomu nebo druhému hráči? Nebo kam?
- Superpozice ~ stav qubitu může existovat v 0 i 1 současně. IBM říká: vytvoří všechny konfigurace mezi 0 a 1 najednou. Příměr: jako by rychle točící se mince v letu byla vidět zároveň jako panna i lev.
- Propletení (entanglement) ~ dvě částice, i na opačných koncích vesmíru, reagují současně. Příměr: jako dvojčata, která cítí totéž, i když jsou od sebe daleko.
- Spin ~ částice se chová, jako by měla vnitřní rotaci. Příměr: točící se káča má stabilitu jako setrvačník i v nestabilním prostředí.
- Dekoherence ~ měřením vybereme právě probíhající stav. „Zhroutí“ se neurčitý stav procesu na jediný výsledek.
Kdy zastavit takový proces?
To je samo o sobě věda. Shor spočítal, že největší šance na správný výsledek nastává, když výpočet doběhne blízko druhé odmocniny počtu kombinací. Grover tvrdí, že zrychlení je jen kvadratické. IBM říká: důležité je proplétání a interference, které „vymažou“ nevýznamné výsledky. Zvýrazní ty pravděpodobně správné.
Přednosti?
- Kryptografie ~ kvantový počítač dokáže rozložit velká čísla na prvočísla mnohem rychleji než klasický počítač. To ohrožuje dnešní šifrování, ale dává základ nové kvantové kryptografii.
- Modelování složitých systémů ~ od chemických reakcí až po kosmologii.
- Optimalizace ~ hledání nejvýhodnějších kombinací, ať už jde o finance, logistiku, léčiva nebo obecně vývoj.
Závěr
Provoz kvantového počítače je složitý a drahý. Zatím se k němu nepřiblížíme tak blízko, jako k mobilu (s procesorem-počítačem), ale až někdo v televizi učeně pohovoří o kvantovém počítači, budeme vědět o čem je řeč.
: něco z korespondence k tématu:
Ahoj,
přijde mi to pro Laika srozumitelnější než jiné dostupné odborné texty. Pro ty, kteří dávali ve škole trochu pozor je to myslím dobrý a tu problematiku jim přiblíží. Stejně by mě teda zajímalo jak to funguje: -
:odpověď:
Můj text nemá a nemůže mít odbornou váhu. Já také nevím jak to funguje. Podle mě to neví nikdo. Začátkem 20-tého století vědci jako Kirchhoff, Hertz, Planck, Bohr, Broglie, Young a později i Einstein experimentálně zjistili a ověřili , že „něco“, tedy malé subatomární částice (například elektrony, neutrony, atomy, molekuly, fotony) mají, v té době, neznámé vlnové vlastnosti využitelné k urychlení procesů, jejich vzájemnému ovlivňování. Zdůvodnění, v té době, chybělo, ale bylo zjevné a vyhodnotitelné, že to funguje!!!!
Některé z těch jevů dodnes nikdo neví jak fyzikálně a matematicky zdůvodnit, popsat. Tak o tom vědátoři mlží, vymýšlejí nové nesrozumitelné pojmy a vymýšlejí teorie. Přeci oni, vědci nepřiznají, že jen tápou, jak to že to funguje.
Něco na tom být musí, nějaký základ to mít musí. Pátrá po tom několik výzkumných center a stovka(y) vědců. Žádné smysluplné vysvětlení zatím nikdo nenašel. To už by se s tím s velkou pompou vytasil.
K duchařině to blízko má. Např. když dvě částice, spolu „nepropojené“ známými principy - vazbami mění stav v závislosti jedna na druhé i na nekonečné vzdálenosti.
I já si musím vymýšlet, co v tom asi je, že to funguje. Jak vstupní vlivy, tendence, možná i hodnoty vtáhnout do „procesu“. Proces ovlivňovat podle žádaného průběhu a podle už dosaženého „rozkmitání“ prostředí, aby „vlněním, rezonancí“ vynikly vlastnosti, které charakterizují zkoumaný děj. V určitou rozhodnou (zvolenou) chvíli probíhající děj narušit, nabourat, kouknutím - měřením. A zjistit, která část děje nejvíce „rezonuje“ s tím o čem ten děj je. Při nastavených parametrech, tam kde to nejvíce rezonuje je pravděpodobně hledaný výsledek.
Já jsem jen shrnul názory vědců, které mi nepřipadaly jako blábol a trochu je laicky k něčemu přirovnal.
