4.1.2. Mecanica Cuantică

Un nume care inspira frica in majoritatea oamenilor datarotita notoriei sale complexitati, dar si a numeroaselor sale ciudatenii. Nu va faceti griji, incat pana si Richard Feynman, castigator al premiului Nobel, a spus: “Daca te gandesti ca intelegi mecanica cuantica, nu intelegi mecanica cuantica”.

Sa pornim deci de la inceput. Ce este mecanica cuantica? Cand oamenii de stiinta au inceput sa analizeze particulele atomice si subatomice, au descoperit ca acestea nu reactioneaza conform legilor newtoniene. Astfel, odata cu inceputul secolului douazeci, savanti ca Plank si Einstein au descoperit noi legi si fenomene. Ansamblul acestora formeaza mecanica cuantica. Inainte de a prezenta fenomenele cuantice ce stau la baza acestui tip de calculatoare, voi incepe cu unitatea de baza a acestora:

Qubit (Unitate Binara Cuantica)

Dupa cum stiti, calculatoarele obisnuite folosec biti pentru a stoca informatia. Acestia pot avea doua valori: 1 sau 0. Deoarece aceasta unitate este folosita inca de la primul calculator pana in prezent, probabil va intrebati ce are qubitul mai special, cu exceptia prefixului sau. Raspunsul este proprietatea sa de a putea avea pe langa valoarea 0 sau 1, amandoua valorile la un loc. Orice particula atomica sau subatomica poate fi folosita drept qubit.

Sa facem deci o comparatie practica intre cele doua unitati. Pentru ca un bit sa stocheze toate valorile posibile (0 si 1), este nevoie de doua cicluri de procesor, in timp ce qubitul are nevoie de unul singur. Sa nu credeti totusi ca avantajul este doar dublu. Daca avem un registru de doi biti, putem stoca patru valori: cele din intervalul [0,3]. Astfel avem 00 (0),01 (1),10 (2) si 11 (3). Pentru stocare sunt necesare 4 cicluri de procesor. In cazul registrului de qubiti, nu este nevoie decat de unul singur, cei doi putand lua toate valorile simultan. Deja imbunatatirea devine substantiala.

Astfel, in timp ce calculatoarele conventionale nu-si imbunatatesc performanta odata cu cresterea numarului de biti, calculatoarele cuantice reusesc sa aiba o crestere exponentiala a capacitatii de computare. Un exemplu, care va poate demonstra potentialul lor enorm, este un calculator cuantic format din “doar” 500 qubiti. Acesta ar putea lua intr-un singur ciclu de procesare 3.27 * 10^50 valori, un numar mai mare decat cel al atomilor din universul observabil.

Cum este totusi stocata aceasta informatie, si mai ales, cum poate avea o particula ambele valori posibile, in acelasi timp ? Vom porni de la proprietatea oricarei particule de a avea un spin. Acesta este reprezentat fie ca o sageata indreptata in sus, fie ca una indreptata in jos. De asemenea, el poate avea ambele sensuri datorita unei proprietati numite...

4.1.3. Superpoziție cuantică

Aceasta este proprietatea unei particule de a exista in toate starile posibile simultan, atata timp cat nu este observata. Prezenta unui observator restrange toate aceste posibilitati la una singura.

Suna destul de ciudat. Ca sa intelegem mai bine acest fenomen, vom porni de la infamul exemplu al Pisicii lui Schrodinger. In 1935, acesta a propus un experiment in care o pisica este inchisa intr-o cutie, impreuna cu o fiola de cianura si o mica cantitate de substanta radioactiva. Este necesara dezintegrarea unui singur atom din respectiva substanta, pentru a activa un mecanism ce va sparge fiola de cianura. Probabilitatea ca respectivul atom sa se dezintegreze in decurs de o ora este de 50%. Astfel, in lipsa unui observator, pe parcursul celor saizeci de minute, respectiva particula exista in continuare si este dezintegrata in acelasi timp. Viata pisicii intra si ea in superpozitie, depinzand de starea atomului. Care este concluzia? In lipsa unui observator, pisica este atat vie cat si moarta in acelasi timp.

Presupun ca este destul de greu de crezut, mai ales stiind ca experimentul este teoretic. Totusi, aceasta proprietate a fost (partial) demonstrata inca de la inceputul secolului nouasprezece, de savantul Thomas Young. Este cunoscut ca “experimentul celor doua fante”.

Un ecran este plasat in spatele unui zid cu doua fante. Daca am lansa spre ecran bucatele de materie obisnuita (particule), pe acesta s-ar vedea doua fasii, sub forma celor doua fante. Totusi, imaginea aparuta se va schimba in cazul unei unde (ganditiva la un val). Daca trimitem o unda printr-o singura fanta, imaginea de pe ecran va avea punctul maxim de luminozitate pe centru, aceasta scazand odata ce ne apropriem pe margine (01210 ; cifrele denota gradul de intensitate al luminii). In schimb, daca trimitem o unda prin doua fante, cele doua noi unde rezultate isi vor anula reciproc punctele de maxima si minima intensitate a luminii. Astfel, modelul de pe ecran va fi sub forma unor linii paralele, ce variaza alternativ ca intensitate (012101210...). Acesta se numeste model de interferenta.

Acum vom vedea modul in care acest experiment dovedeste superpozitia. Cand Young a facut acest experiment, a dovedit ca lumina creaza un model de interferenta, asemenea unei unde. Totusi, o suta de ani mai tarziu, Einstein a descoperit ca lumina este formata din particule numite fotoni. Oamenii de stiinta s-au gandit ca fotonii interactioneaza intre ei, creand modelul specific undei. Asa ca au inceput sa traga foton cu foton. In acest mod, particula n-ar mai fi avand cu ce sa interactioneze. Rezultatul a fost insa uimitor: modelul de interferenta a ramas. Care este atunci concluzia? Particula a trecut prin toate fantele posibile (niciuna, prima, a doua, amandoua odata) in acelasi timp, ea existand in toate variantele posibile, interactionad astfel cu ea insasi, sau mai bine spus cu restul posibilitatilor sale. Totusi, cand a fost plasat un observator (pentru a determina prin ce fanta trece fotonul), modelul de pe ecran a fost cel caracteristic particulelor: doua linii paralele, avand forma celor doua fante. Care este motivul colapsarii functiei de unda a particulei intr-o singura varianta? Insasi prezenta observatorului.

Aceasta este cea mai mare problema ce sta in fata realizarii unui calculator cuantic care sa le depaseasca pe cele traditionale. Daca putem afla o singura valoare, in ciuda posibilitatii de-a efectua operatii asupra tuturor variantelor, ce putem face cu un astfel de calculator mai bine decat cu unul clasic? Pe scurt, algoritmii folositi returneaza un rezultat cat mai probabil sa fie corect. El poate fi verificat usor ca solutie pe un calculator clasic. De asemenea, algoritmul poate fi rulat de mai multe ori, crescand astfel substantial sansa unui raspuns corect.

Pana sa analizam algoritmii care rezolva aceasta problema, voi raspunde altei intrebari: “Cum putem transmite informatia?” . Raspunsul ne este oferit de proababil cel mai ciudat fenomen al fizicii cuantice:

Webografie

http://euro.ubbcluj.ro/~alina/cursuri/informatica-teorie/2-2-1.htm

http://ro.wikipedia.org/wiki/Legea_lui_Moore

http://www.mygarage.ro/editorial/94477-calculatoarele-cuantice-tehnologii-alternative-de-computare

http://ro.stiri.yahoo.com/procesoarele-din-grafen-care-funcţionează-la-400-ghz-133400075.html

http://www.extremetech.com/extreme/155380-quantum-computer-wins-first-ever-speed-test-against-a-conventional-intel-pc

http://cdn3.pcadvisor.co.uk/cmsdata/features/3414408/gaming_pcs_buying_advice.jpg

http://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2013/09/graphene-2.jpg

http://www.old-computers.com/history/detail.asp?n=61

http://www.library.upenn.edu/exhibits/rbm/mauchly/img/eniac3.jpg

http://www.piese-it.ro/blog/wp-content/uploads/2013/03/evolutia-calculatorului.jpg

4.2. Tranzistori din grafen

Grafenul este unul dintre acele materialele exotice care permit deja sau promit salturi tehnologice în cele mai variate domenii, însă una dintre cele mai interesante direcţii, adică înlocuirea materialelor semiconductoare actuale, nu s-a bucurat de un succes prea mare până acum. Un grup de cercetători din cadrul University of California cred că au descoperit o nouă metodă pentru proiectarea circuitelor electronice din grafen, ceea ce ar permite realizarea unor procesoare cu frecvenţe de tact net superioare celor actuale.

 Conform unor prognoze , tranzistorii din cipurile electronice vor atinge limita tehnologiilor bazate pe siliciu undeva în următorii 10 - 15 ani, dată la care ar trebui să fim deja înarmaţi cu tehnologii noi dacă vom dori să evităm o stagnare. Ideea unui tranzistor fabricat din grafen nu este nouă iar încercări funcţionale există, însă acestea nu sunt nici pe departe pregătite pentru o implementare industrială.

 Cel mai rapid tranzistor fabricat din grafen a atins ameţitoarea frecvenţă de 427 GHz, depăşind astfel cu un ordin de magnitudine performanţa maximă de 8,5 GHz a cipurilor bazate pe siliciu. Pentru a putea funcţiona, tranzistorii fabricaţi din peliculele atomice de grafen au însă nevoie de condiţii speciale de lucru deoarece aceştia au pierderi foarte mari de energie şi disipă cantităţi însemnate de căldură.

 Tranzistorii fabricaţi din siliciu au proprietăţi izolatoare atunci când sunt aplicate tensiuni scăzute şi conductoare atunci când acestea cresc, acest comportament permiţând crearea porţilor logice. Spre deosebire de siliciu, grafenul este conductiv indiferent de puterea aplicată, iar crearea unor circuite binare ridică probleme care au fost depăşite în laborator, cu limitările menţionate mai sus, prin doparea atomilor sau deformarea fizică a foilor de grafen.

 Cercetătorii americani afirmă că aceste încercări, care încearcă să facă grafenul să se comporte precum siliciu dopat, sunt greşite. Conform datelor publicate, soluţia constă într-o abordare diferită a impasului tehnologic şi specularea efectului de rezistivitate negativă. Un comportament contraintuitiv al multor materiale, printre care şi grafenul, rezistivitatea negativă se manifestă printr-o scădere a tensiunii electrice în urma creşterii intensităţii. Aceste treceri de la o tensiune mai mare la una mai mică pot fi folosite pentru crearea unor comutatoare în acelaşi mod în care sunt folosite schimbările conductivităţii siliciului, permiţând astfel realizarea unui nou tip de tranzistor.

 Cercetătorii au făcut deja câteva teste cu noua tehnologie, reuşind crearea unor porţi XOR cu doar trei transistori din grafen, spre deosebire de cei opt tranzistori ceruţi de tehnologiile bazate pe siliciu. Acest salt tehnologic permite realizarea unor circuite mai mici care vor beneficia şi de salturi impresionante de viteză, modelul experimental rulând la frecvenţa de 400 GHz.

 Toate aceste încercări sunt promiţătoare, însă înainte de a visa la procesoare mici care rulează la frecvenţe abisale, cineva va trebui să preia ideea, să determine condiţiile clare în care grafenul manifestă proprietatea de rezistivitate negativă şi să realizeze circuite mai complexe cu aceşti tranzistori.

4.1.4. Entanglementul cuantic

Transmiterea informatiei intre tranzistorii obisnuitii este foarte usoara, datorita marimii macroscopice a circuitului. Totusi, odata ce coboram la nivel atomic, interferentele exterioare pot schimba usor starea sistemului, elementele din care este compus fiind foarte mici. De aceea, qubitii sunt bine izolati, adesea ruland la temperaturi foarte apropiate de 0 absolut (-273,15 grade Celsius).

O noua intrebare este: “Daca qubitii sunt aproape perfect izolati, cum pot primii sau transmite informatie?”. Solutia ne-o ofera entanglementul cuantic. Acest fenomen se manifesta intre doua sau mai multe particule care au interactionat. Daca apoi sunt izolate de mediul exterior si separate, orice modificare ii aplicam uneia, se manifesta instantaneu (a se citi mult mai rapid decat viteza luminii) si celei de-a doua. Desi oamenii de stiinta nu au putut inca explica fenomenul, acesta a fost demonstrat de nenumarate ori, pe distante de cateva zeci de mile.

Cu ajutorul entanglementului, putem modifica spinul (proprietatea ce reprezinta valoarea informatiei) unui qubit, schimbarea propagandu-se instantaneu asupra celorlalti qubiti cu care se afla in legatura. Astfel, pe langa cantitatea imensa de informatie pe care o putem atinge cu ajutorul superpozitiei, avem si cea mai rapida metoda posibila de transmitere a informatiei.

Ca sa mai reducem din durerea de cap, vom arunca acum o privire asupra lucrurilor practice:

4.1.5. Aplicațiile unui calculator cuantic

Daca fenomenele cuantice nu v-au impresionat, cu siguranta aplicatile acestei tehnologii o vor face. In randurile urmatoare voi demonstra ca aceasta inventie este, fara dar si poate, cea mai importanta din istoria omenirii.

Prima aplicatie, care a starnit interesul guvernelor mondiale, ducand astfel calculatoarele cuantice de la stadiul teoretic la cel experimental, este Algoritmul lui Shor. Creat in 1994, acesta poate descoperii factorii primi ai unui numar in timp polinominal (mai exact O((logN)^3) ). Cu ce ne ajuta asta? Multe din encriptiile folosite in ziua de azi se bazeaza pe descoperirea factorilor primii. Deoarece un supercomputer normal ar depasii de zeci de ori varsta universului in incercarea de a gasii acesti factori, pentru un numar cu cateva sute de cifre, encriptii ca RSA sunt impenetrabile. Totusi, datorita paralelismului urias al calculatoarelor cuantice, orice encriptie ar putea fi sparta aproape instantaneu.

Sa trecem de la securitate la un domeniu mai comercial: cautarea in baze de date. Un algoritm creat pentru un calculator normal verifica pe rand fiecare variabila din baza de date, comparand-o cu cea cautata. Timpul de executie este liniar, crescand odata cu continutul bazei. In schimb, un algoritm cuantic poate verifica toate variabilele in acelasi timp, timpul de rulare fiind egal cu 1.

Desi in ziua de azi putem afirma ca viteza de transfer a informatiei este in majoritatea cazulurilor suficienta, ce ne vom face cand va fi nevoie de comunicatii interplanetare? Cu ajutorul entanglementului, aceasta nu va mai fi o problema, transferul de informatie realizandu-se instantaneu. Exista chiar oameni de stiinta care afirma ca particulele se pot afla in entanglement si in dimensiunea timpului. Daca transferul de informatie poate fi realizat si pe axa temporala, ganditiva la aplicatii ca prevenirea catastrofelor sau alegerea deciziilor optime.

Vom termina cu aplicatiile in domeniul stiintelor, probabil cele mai interesante. Unul din ele ar fi simularile in timp real la nivel cuantic (orice sistem poate fi considerat cuantic, inclusiv universul), rezultatele lor fiind astfel foarte corecte. Alt domeniu ar fi ingineria moleculara: vom putea crea molecule cu totul noi, studiindu-le efectele asupra organismelor in timp real. Potentialul pentru medicina este urias, deoarece ne vom putea programa corpurile, sau alte organisme biologice, dupa plac. Totusi, probabil cea mai importanta aplicatie, este cea in domeniul inteligentei artificiale. Astfel, calculatoarele ce ne vor depasii ca inteligenta vor iesi din aria fictiunii, devenind cat se poate de plauzibile.

Desigur, aceasta tehnologie nu se va rezuma doar la domenile enuntate mai sus, ele fiind doar cele mai promitatoare. Odata cu maturizarea tehnologiei si aparitia unor noi algoritmi, sunt convins ca o vom intalni in toate domenile care necesita computare.

Momentan, calculatoarele cuantice se afla intr-un stadiu primitiv, folosind un numar mic de qubiti, cele mai promitatoare modele avand in jur de douazeci. Desi inca nu pot concura cu un calculator normal, zilnic sunt facute noi progrese, atat pe partea tehnica cat si pe cea teoretica. Desi nu stim in cat timp vom avea avantajele promise de misterioasa lume cuantica, cert este ca acestea ne vor schimba viata in moduri greu de imaginat.