Увод у квантно рачунарство
Шта су квантни рачунари, како функционишу и која је њихова предност у односу на класичне (или ”не-квантне” рачунаре) ?
У овој серији чланака желим да објасним неке од најважнијих постулата и чињеница везаних за квантно рачунарство и квантне технологије, па ако вас занима ова горућа тема, наставите са читањем.
”Квантна” историја
Пре више од сто година група еминентних светских научника открила је и описала квантне феномене, па мислим да је на почетку ове серије вредно поменути њихова имена и доприносе: Прво, Макс Планк (Max Planck) је 1900-те говорио о фотонским „квантима“ у смислу да светлосна енергија може постојати само у дискретним пакетима, а ово је навело Нилса Бора (Niels Bohr) 1913-те да примени исти принцип и на енергију електрона. Даље, Ервин Шредингер (Erwin Schrödinger) и Вернер Хајзенберг (Werner Heisenberg) су 1926-те независно развили два обједињујућа математичка модела атомских квантних феномена као што су суперпозиција, неодређеност, сплетеност и проблем квантних мерења. Исте године Енрико Ферми (Enrico Fermi) је описао дистрибуцију честица по енергетским стањима, а Волфганг Паули (Wolfgang Pauli) је 1927. идентификовао како честице интерагују са спољашњим електромагнетним пољем. Такође 1927. године, Пол Дирак (Paul Dirac) је створио квантну теорију поља. Занимљиво је да Алберт Ајнштајн уопште није веровао у недетерминистичку природу квантних појава и целу теорију је комплетно одбацио. Што се тиче Николе Тесле, он се бавио пољима енергије, али није улазио у њихову квантну природу. Ето, то су у основи пра-очеви квантне теорије који су оставили веома богато наслеђе, данас препознато кроз концепте и термине као што су Планкова константа, Хајзенбергов принцип неизвесности, Шредингерова једначина, Диракова нотација, Паулијеве матрице и друге. Они који желе да проучавају ову тему дубље, дефинитивно ће срести ова имена и по њима названу терминологију, а такође ће научити и о Хилбертовом простору, названом по математичару Давиду Хилберту (David Hilbert), и Блох сфери названој по Феликсу Блоху (Felix Bloch), два научника који су такође значајно допринели овом раном развоју квантне теорије и квантне механике.
Након овог почетног периода, физичари су углавном радили на експериментима како би доказали валидност постулата квантне механике и коначно су 2015. разрешили све сумње када су три независна експеримента показала да не постоји друго објашњење за квантно понашање честица попут фотона и електрона, осим од оних које пружа квантна теорија.
Квантно рачунарство у облику квантне информационе науке (quantum information science) је рођено крајем 1970-их. Најутицајнији истраживачи који су помогли у развоју овог теоријског концепта били су Пол Бениоф (Paul Benioff), Јуриј Мањин (Юрий Иванович Манин), Ричард Фeјнман (Richard Feynmann) и Дејвид Дојч (David Deutsch). Њихова главна идеја је била да се квантни феномени могу и требају искористити за обраду информација. Фејнман је постао познат 1982-ге године по теорији и предлогу да се може направити релативно једноставни, вештачки квантни систем који би се користио за симулацију других, природних и много сложенијих, квантних система.
Али можда је најзанимљивији период почео 1990-их са развојем алгоритама, који су подстакли велико интересовање и улагања у квантно рачунарство:
- Дојч-Џоза (Deutsch-Jozsa) алгоритам, 1992-ге
- Шоров (Schor’s) алгоритам 1994-те (познат по томе што може да дешифрује криптоване податке)
- Гроверов (Grover’s) алгоритам из 1996-те за претраживање база података
Што се тиче хардвера, први квантни рачунари створени су 1998-ме, истовремено у три лабораторије: на Оксфорду, IBM-овој лабораторији у Алмадену (Калифорнија) и Берклију. Ове машине су биле засноване на нуклеарној магнетној резонанци, и били су коришћени за екпериментисање са једно-кубитним системима, али је ова технологија касније напуштена због недостатка могућности да се више квантних система међусобно сплету (феномен познат као сплетеност / entanglement) и прилично значајног квантног шума. Први пут се суперпроводнички квантни рачунар наводи од стране јапанских истраживача, а онда је направљен и експериментално 1999. године од стране IBM-a. IBM има дугу историју истраживања у области суперпроводничких кола која датира из 1960-их, тако да им је било прилично лако искористити то искуство да би развили специфичне суперпроводнике баш за квантне рачунаре. Током времена су ова суперпроводничка кола значајно еволуирала и тренутно су веома обећавајућа технологија и може се рећи state-of-the-art за извршавање квантних алгоритама.
Од 2016-те је могуће извршавати инструкције на IBM-овим квантним рачунарима који су јавно расположиви , а данас је та понуда још богатија са компјутерима фирми као што су Google, Rigetti, IONQ, Honeywell, Alibaba, Xanadu, као и бројним другим који се развијају у истраживачким лабораторијама широм света, и који поред суперпроводничких кола користе и јонске замке, фотонске процесоре, квантне тачке или хладне атоме.
Ово је била кратка ”квантна” историја, а у следећем чланку ћу писати о основи квантног рачунарства : квантним стањима и кјубитима. У међувремену, препоручујем и чланак са Википедије о квантној механици.
