Gershenfeld Neil Chuang Isaac L. - Molekularne komputery kwantowe, świat nauki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Molekularne
komputery kwantowe
Wykorzystujc jdrowy rezonans magnetyczny,
naukowcy potrafi nak¸oni czsteczki zwyk¸ej cieczy,
aby funkcjonowa¸y jak niezwyk¸y rodzaj komputera
Neil Gershenfeld i Isaac L. Chuang
czynniki pierwsze Ð problem, kt-
rego rozwizanie umoýliwi¸oby
z¸amanie niektrych kodw Ð nawet naj-
szybszemu z istniejcych superkompu-
terw zaj¸by miliardy lat. Tymczasem
wymyælony niedawno nowy rodzaj ma-
szyn, wykorzystujcych oddzia¸ywania
kwantowo-mechaniczne, moýe tego do-
kona w cigu roku, rozprawiajc si«
w ten sposb z wieloma najbardziej za-
awansowanymi systemami kryptogra-
ficznymi. Tajne dane s na razie bez-
pieczne, nikomu bowiem nie uda¸o si«
jeszcze zbudowa dzia¸ajcego kwanto-
wego komputera. Jednak naukowcy juý
udowodnili, ýe jest to wykonalne. Taki
komputer w niczym nie przypomina¸by
maszyny na biurku, podobny by¸by ra-
czej do stojcej obok filiýanki z kaw.
Podobnie jak inni naukowcy wierzy-
my, ýe komputery kwantowe, u podstaw
dzia¸ania ktrych leýy zachowanie si« cz-
steczek w cieczy, pewnego dnia pomog
przezwyci«ýy wiele ograniczeÄ kompu-
terw konwencjonalnych. Przeszkody
w udoskonalaniu tych ostatnich pojawi
si« wczeæniej czy pniej i zwizane b«-
d z fizycznymi ograniczeniami procesu
miniaturyzacji (np. wiadomo, ýe tranzy-
story i po¸czenia elektryczne mi«dzy ni-
mi nie mog by cieÄsze niý ærednica ato-
mu). Pojawi si« teý problemy czysto
praktyczne: najprawdopodobniej produk-
cja coraz pot«ýniejszych procesorw sta-
nie si« zbyt kosztowna. Jednak dzi«ki ma-
gii mechaniki kwantowej moýe uda si«
rozwiza oba te problemy naraz.
Zalety komputerw kwantowych wy-
nikaj ze sposobu, w jaki koduj one bi-
ty b«dce podstawowymi jednostkami
informacji. W klasycznym komputerze
cyfrowym bit okreælony jest przez jedn
cyfr«: 0 lub 1. S¸owo
n
-bitowe zapisane
w systemie dwjkowym w zwyk¸ym
komputerze sk¸ada si« wi«c z cigu
n
zer
i jedynek. Bit kwantowy, zwany qubi-
tem, moýe by reprezentowany przez
atom znajdujcy si« w dwch rýnych
stanach, ktre rwnieý oznaczane s 0
lub 1. Dwa qubity Ð podobnie jak dwa
bity klasyczne Ð wyst«powa mog
w czterech dobrze okreælonych stanach
(0 i 0, 0 i 1, 1 i 0 lub 1 i 1).
W przeciwieÄstwie do bitw klasycz-
nych qubity mog istnie jednoczeænie ja-
ko 0 i 1, a prawdopodobieÄstwo kaýdego
z tych stanw okreæla wsp¸czynnik licz-
bowy. Tak wi«c opis dwuqubitowego
komputera kwantowego wymaga poda-
nia czterech wsp¸czynnikw. W ogl-
noæci do opisu
n
qubitw potrzeba
2
n
liczb; dla wi«kszych wartoæci
n
tworz
one ca¸kiem spory zbir. Na przyk¸ad do
opisania wszystkich moýliwych stanw
komputera kwantowego dla
n
rwnego
50 potrzeba oko¸o 10
15
liczb, co przekra-
cza pojemnoæ pami«ci najwi«kszych
komputerw konwencjonalnych. Nadzie-
je pok¸adane w komputerze kwantowym
wiý si« z faktem, ýe moýe on istnie
w wielu stanach jednoczeænie (zjawisko to
nosi nazw« superpozycji) i w tym samym
czasie dokonywa operacji na kaýdym ze
stanw. Tak wi«c komputer kwantowy
da rad« wykonywa rwnolegle miriady
operacji, wykorzystujc przy tym tylko
jeden procesor.
Dzia¸anie na odleg¸oæ
Inna w¸asnoæ qubitw jest jeszcze bar-
dziej dziwaczna, acz uýyteczna. Wyobra-
my sobie proces fizyczny polegajcy na
emisji dwch fotonw (elementarnych
pakietw æwiat¸a) o przeciwnych orien-
tacjach (polaryzacjach) ich oscylujcego
pola elektrycznego Ð jednego w lewo,
a drugiego w prawo. Do chwili detekcji
polaryzacja kaýdego z fotonw jest nie-
okreælona. Pod koniec lat trzydziestych
Albert Einstein wraz ze wsp¸pracowni-
kami zauwaýy¸, ýe w chwili, gdy doko-
nuje si« pomiaru polaryzacji jednego z fo-
tonw, polaryzacja drugiego natychmiast
rwnieý si« ustala Ð niezaleýnie od tego,
jak daleko si« on znajduje. Takie natych-
miastowe dzia¸anie na odleg¸oæ jest rze-
czywiæcie zadziwiajce. Zjawisko to po-
zwala, by uk¸ady kwantowe wchodzi¸y
50 å
WIAT
N
AUKI
SierpieÄ 1998
R
ozk¸ad 400-cyfrowej liczby na
KONWENCJONALNE KOMPUTERY ELEKTRONICZNE powo-
li osigaj kres swych moýliwoæci, ale komputery kwantowe,
oparte na czsteczkach w cieczy utrzymywanych przez pole magne-
tyczne, z czasem stan si« pot«ýnymi maszynami liczcymi.
ze sob w niezwyk¸e zwizki zwane spl-
taniem, ktre w kwantowym kompute-
rze odgrywa rol« kabla ¸czcego quibi-
ty. Ten sam efekt leýy u podstaw zjawiska
kwantowej teleportacji, zademonstrowa-
nego w zesz¸ym roku przez Antona
Zeilingera i jego zesp¸ z Uniwersytetu
w Innsbrucku w Austrii.
W 1994 roku Peter W. Shor z AT&T
wymyæli¸ sposb wykorzystania zjawiska
spltania i superpozycji do odnajdowa-
nia czynnikw pierwszych liczb natural-
nych. Doszed¸ on do wniosku, ýe kom-
puter kwantowy moýe tego dokona
w zasadzie znacznie szybciej niý najlep-
sza klasyczna maszyna liczca. Odkrycie
to spotka¸o si« z ogromnym zaintereso-
waniem. Z dnia na dzieÄ bezpieczeÄstwo
systemw kryptograficznych opartych na
rozk¸adzie duýych liczb na czynniki
pierwsze stan«¸o pod znakiem zapytania.
Poniewaý wiele transakcji finansowych
jest obecnie chronionych takimi w¸aænie
metodami kryptograficznymi, algorytm
Shora spowodowa¸ trz«sienie ziemi we
wszystkich zaktkach æwiatowej gospo-
darki elektronicznej.
Nikt nie przypuszcza¸, ýe odkrycie te-
go kalibru narodzi si« poza naukami
komputerowymi czy matematyczn teo-
ri liczb. Prace Shora sk¸oni¸y teoretykw
komputerw do zaj«cia si« mechanik
kwantow, fizykw zaæ Ð do zaintereso-
wania si« naukami komputerowymi.
komputera kwantowego musi by Ð
w celu zachowania koherencji Ð w jakiæ
sposb odizolowana od otoczenia. Musi
by ona jednak rwnoczeænie dost«pna,
tak aby dane mog¸y zosta wprowadzo-
ne, procedury wykonane, a ich wynik
odczytany.
Wczesne prace obejmujce eleganckie
doæwiadczenia Christophera R. Mon-
roe i Davida J. Winelanda z National In-
stitute of Standards and Technology oraz
H. Jeffa KimbleÕa z California Institute
of Technology mia¸y na celu dok¸adne
odizolowanie od otoczenia kwantowo-
-mechanicznych serc ich komputerw.
Na przyk¸ad pola magnetyczne mog
uwi«zi kilka czstek na¸adowanych,
ktre nast«pnie da si« och¸odzi do czy-
stych stanw kwantowych. Jednak na-
wet w wyniku tych heroicznych wysi¸-
kw uda¸o si« przeprowadzi jedynie
podstawowe operacje kwantowe, po-
niewaý badane urzdzenia mia¸y zaled-
wie kilka bitw i bardzo szybko traci¸y
koherencj«.
W jaki wi«c sposb korzysta z kom-
putera kwantowo-mechanicznego, sko-
Manipulowanie spinami
Naukowcy analizujcy odkrycie Sho-
ra zrozumieli, ýe budowa komputera
kwantowego, ktry da¸oby si« zastoso-
wa w praktyce, b«dzie piekielnie trud-
na. Problem polega na tym, ýe kaýde
oddzia¸ywanie uk¸adu kwantowego
z otoczeniem Ð powiedzmy, zderzenia
atomu z innym atomem lub zab¸kanym
fotonem Ð jest pewnego rodzaju pomia-
rem. W jego wyniku superpozycja sta-
nw kwantowo-mechanicznych kolap-
suje do pewnego konkretnego stanu,
w¸aænie tego, ktry zarejestrowany zo-
sta¸ podczas obserwacji. Zjawisko to,
zwane dekoherencj, sprawia, ýe dalsze
obliczenia kwantowe staj si« niemoýli-
we. Tak wi«c wewn«trzna maszyneria
å
WIAT
N
AUKI
SierpieÄ 1998
51
POüCZENIA
ELEKTRYCZNE
Okazuje si«, ýe wype¸nienie rurki cie-
cz sk¸adajc si« z odpowiednich cz-
steczek Ð tzn. uýycie olbrzymiej liczby
kwantowych komputerw zamiast jed-
nego Ð doskonale rozwizuje problem
dekoherencji. Reprezentujc kaýdy qu-
bit poprzez olbrzymi zestaw czsteczek,
moýna pozwoli sobie na oddzia¸ywanie
pomiarowe z kilkoma z nich. Chemicy,
ktrzy od kilkudziesi«ciu juý lat stosuj
metod« jdrowego rezonansu magne-
tycznego do badania skomplikowanych
czsteczek, w pewnym sensie przez ca¸y
ten czas, nie zdajc sobie z tego sprawy,
dokonuj obliczeÄ kwantowych.
Jdrowy rezonans magnetyczny wy-
korzystuje zachowanie czstek kwanto-
wych w jdrach atomowych czsteczek
cieczy. Czstki majce spin zachowu-
j si« jak malutkie magnesy sztabkowe
i uk¸adaj wzd¸uý linii si¸ zewn«trzne-
go pola magnetycznego. Dwa moýliwe
ustawienia (rwnoleg¸e lub antyrw-
noleg¸e) odpowiadaj dwm stanom
kwantowym o rýnych energiach: sta-
ny te w naturalny sposb tworz qubit.
Moýna przyj, ýe spin ustawiony rw-
nolegle odpowiada liczbie 1, spin zaæ
antyrwnoleg¸y Ð liczbie 0. Spin rw-
noleg¸y ma niýsz energi« niý spin
antyrwnoleg¸y, a rýnica pomi«dzy ty-
mi energiami zaleýy od nat«ýenia przy-
¸oýonego zewn«trznego pola magne-
tycznego. W normalnych warunkach
taka sama liczba spinw w cieczy u¸o-
ýona jest w kaýdym z kierunkw. Przy-
¸oýenie pola magnetycznego sprzyja
jednak rwnoleg¸emu u¸oýeniu spi-
nw, tak wi«c pojawia si« niewielka nie-
rwnowaga pomi«dzy tymi dwoma
stanami. T« nadwyýk«, rz«du jednego
jdra na milion, moýna zmierzy w eks-
perymencie z jdrowym rezonansem
magnetycznym.
Oprcz sta¸ego pola magnetycznego
w procedurach wykorzystujcych jdro-
wy rezonans magnetyczny stosuje si«
rwnieý dodatkowo zmienne pole elek-
tromagnetyczne. Przyk¸adajc oscyluj-
ce pole o dok¸adnie ustalonej cz«stoæci
(okreælone przez nat«ýenie sta¸ego pola
i wewn«trzne w¸asnoæci czsteczek),
moýna doprowadzi do tego, ýe niekt-
re spiny przeskocz z jednego stanu do
drugiego. Pozwala to na planowan
zmian« kierunku spinw jdrowych.
Na przyk¸ad protony (jdra atomu
wodoru) umieszczone w polu magne-
tycznym o nat«ýeniu 10 T moýna zmu-
si do zmiany kierunku za pomoc oscy-
lujcego pola magnetycznego o cz«sto-
æci oko¸o 400 MHz, co odpowiada fali
radiowej. W chwili w¸czenia takiego
pola, zazwyczaj na kilka milionowych
cz«æci sekundy, owe fale radiowe obra-
caj spiny wok¸ kierunku oscyluj-
RURKA
WYPEüNIONA
CIECZ
PODSTAWOWE ELEMENTY niewielkiego
komputera kwantowego skonstruowanego
przez autorw artyku¸u. Za kilka lat urz-
dzenia takie b«d pracowa lepiej niý sto-
sowane obecnie w badaniach komercyjne
spektrometry, w ktrych wykorzystuje si«
jdrowy rezonans magnetyczny.
BIEGUNY MAGNESU
MAGNES
STAüY
ûELAZNE
JARZMO
ro trzeba go tak dok¸adnie izolowa od
otoczenia? W ubieg¸ym roku zdaliæmy
sobie spraw«, ýe zwyk¸a ciecz pozwala
wykona wszystkie kroki obliczeÄ
kwantowych: wprowadzenie warun-
kw pocztkowych, zastosowanie ope-
racji logicznych do spltanych superpo-
zycji stanw i odczytanie ostatecznych
wynikw. Wsplnie z inn grup bada-
czy z Harvard University i Massachu-
setts Institute of Technology odkryli-
æmy, ýe techniki jdrowego rezonansu
magnetycznego (NMR Ð nuclear magne-
tic resonance) Ð podobne do metod sto-
sowanych w obrazowaniu za pomoc
rezonansu magnetycznego (MRI Ð ma-
gnetic resonance imaging) Ð mog po-
s¸uýy do manipulowania informacja-
mi kwantowymi w oærodkach b«dcych
klasycznymi cieczami.
52 å
WIAT
N
AUKI
SierpieÄ 1998
cego pola, ktry zazwyczaj ustawio-
ny jest pod ktem prostym do pola sta¸e-
go. Jeæli oscylujcy z cz«stoæci radiow
impuls trwa wystarczajco d¸ugo, aby
obrci spiny o 180¡, nadwyýka jder
magnetycznych, u¸oýonych poprzednio
rwnolegle do sta¸ego pola magnetycz-
nego, ustawia si« w przeciwnym anty-
rwnoleg¸ym kierunku. Impuls trwa-
jcy po¸ow« tego czasu pozostawi po
swoim przejæciu czstki z rwnym
prawdopodobieÄstwem u¸oýone rw-
nolegle, jak i antyrwnolegle.
Stosujc terminologi« mechaniki
kwantowej, moýna powiedzie, ýe spi-
ny znajd si« jednoczeænie w obu sta-
nach: 0 i 1. Zwyk¸y klasyczny obraz po-
wsta¸ej sytuacji odpowiada b«dzie osi
spinu ustawionej pod ktem 90¡ w sto-
sunku do kierunku sta¸ego pola magne-
tycznego. W takim przypadku oæ spinu
obraca si« (wykonuje precesj«) wok¸
kierunku pola magnetycznego z pew-
n charakterystyczn cz«stoæci, podob-
nie jak dzieci«cy bk wirujc, odchyla
si« od pionu wyznaczonego przez gra-
witacj«. W trakcie tej precesji emitowa-
ne s s¸abe fale radiowe, ktre potrafi
wykry aparatura wykorzystujca j-
drowy rezonans magnetyczny.
W rzeczywistoæci na czstki w do-
æwiadczeniach z zastosowaniem jdro-
wego rezonansu magnetycznego dzia¸a
nie tylko zewn«trzne pole magnetycz-
ne, ale rwnieý pole wytwarzane przez
inne czsteczki znajdujce si« w otocze-
niu. W cieczy ten dodatkowy efekt ni-
welowany jest w duýym stopniu dzi«ki
cig¸emu ruchowi czsteczek wzgl«dem
siebie. Jednak jdro magnetyczne mo-
ýe wp¸yn na inne jdro tej samej cz-
steczki, gdy zmienia ono ruch elektro-
nw krýcych wok¸ ich obu.
Okazuje si«, ýe nie stanowi proble-
mu; wr«cz przeciwnie, takie oddzia¸y-
wanie jest bardzo uýyteczne. Pozwala
ono na konstrukcj« ãbramki logicznejÓ Ð
podstawowego elementu s¸uýcego do
wykonania obliczeÄ za pomoc dwch
spinw jdrowych. W naszym ekspery-
mencie z dwoma spinami uýywaliæmy
chloroformu (CHCl
3
). Interesowa¸o nas
wykorzystanie oddzia¸ywania pomi«-
dzy spinami jder wodoru i w«gla. Po-
niewaý jdro zwyk¸ego w«gla 12 nie ma
spinu, uýyliæmy chloroformu zawieraj-
cego izotop w«gla z jednym dodatko-
wym neutronem, ktry dostarcza¸ jdru
niezb«dny spin.
Przyjmijmy, ýe spin wodoru skiero-
wany jest do gry albo do do¸u, rwno-
legle lub antyrwnolegle do pionowo
przy¸oýonego pola magnetycznego, spin
w«gla zaæ ustawiony zostaje zawsze do
gry, rwnolegle do sta¸ego pola ma-
gnetycznego. Odpowiednio spreparo-
IMPULS
90-STOPNIOWY
JDRA ATOMOWE zachowuj si« podobnie do obracajcego si« bka. Oæ spinu zwykle
ustawia si« wzd¸uý kierunku sta¸ego pola magnetycznego (
poærodku
)
.
Odpowiednio oscylu-
jce pole moýe nast«pnie wymusi reorientacj« spinu. Na przyk¸ad impuls 180-stopniowy (
z le-
wej
) powoduje, ýe jdro ca¸kowicie si« odwraca. Impuls 90-stopniowy (
z prawej
) powodu-
je jego przechylenie w kierunku prostopad¸ym do sta¸ego pola magnetycznego (
strza¸ki
pionowe
). Nast«pnie oæ spinu zacznie obraca si« powoli, tak jak w dzieci«cej zabawce.
wany impuls fal radiowych moýe obr-
ci spin w«gla w d¸, do p¸aszczyzny
poziomej. Jdro w«gla zacznie wtedy
wykonywa precesj« wok¸ osi piono-
wej, a pr«dkoæ obrotu zaleýe b«dzie
od tego, czy spin jdra wodoru ustawi
si« rwnolegle, czy teý antyrwnolegle
do tej osi. Po pewnym krtkim czasie
w«giel skierowany zostanie albo w jed-
nym kierunku, albo dok¸adnie w prze-
ciwnym Ð w zaleýnoæci od tego, czy spin
pobliskiego wodoru skierowany by¸
w gr«, czy w d¸. W tym momencie
emitujemy nast«pny impuls o cz«stoæci
radiowej, ktry powoduje, ýe jdro w«-
gla obraca si« o dalsze 90¡. W wyniku
tego manewru jdro w«gla ustawi si«
w d¸, jeæli pobliski wodr skierowany
by¸ do gry, lub w gr«, gdy wodr
wskazywa¸ d¸.
Odpowiada to operacji, realizowanej
przez tzw. bramk« logiczn XOR (exclu-
sive-OR), czyli ãLUB wykluczajceÓ, al-
bo Ð co jest zapewne lepszym okreæle-
niem Ð bramk ãkontrolowane NIEÓ (od
stanu jednego wejæcia zaleýy, czy sygna¸
z drugiego wejæcia b«dzie odwrcony).
Komputery klasyczne wymagaj zasto-
sowania podobnych bramek z dwoma
wejæciami, jak rwnieý prostszych bra-
mek NIE z jednym wejæciem, tymcza-
sem grupa naukowcw udowodni¸a
w 1995 roku, ýe obliczenia kwantowe
mog by wykonywane za pomoc ob-
rotw poszczeglnych spinw i bramek
ãkontrolowane NIEÓ. Co wi«cej, ten typ
kwantowej bramki logicznej ma znacz-
nie bardziej wszechstronne zastosowa-
nia niý jej klasyczny odpowiednik, po-
niewaý sk¸adajce si« na ni spiny mog
znajdowa si« w superpozycji stanw
ãdo gryÓ i ãdo do¸uÓ. Obliczenia kwan-
towe b«d zatem dotyczy jednoczeænie
uk¸adu niezgodnych ze sob, zdawa¸o-
by si«, danych wejæciowych.
Dwie rzeczy naraz
W 1996 roku wraz z Markiem G. Ku-
binecem z University of California w
Berkeley przystpiliæmy do budowy
skromnego dwubitowego komputera
kwantowego wykonanego z niewielkiej
iloæci chloroformu. Jednak przygotowa-
nie danych wejæciowych nawet dla tego
dwubitowego urzdzenia wymaga¸o
sporego wysi¸ku. Seria impulsw radio-
wych musia¸a przekszta¸ci niezliczone
jdra w doæwiadczalnym p¸ynie w uk¸ad,
ktry ma nadwyýk« spinw skierowa-
nych w okreælonym kierunku. Nast«p-
nie qubity te trzeba by¸o kolejno mody-
fikowa. W przeciwieÄstwie do bitw
w komputerach konwencjonalnych, kt-
re w trakcie rachunkw w uporzdko-
wany sposb w«druj przez sie bramek
logicznych, qubity si« nie przemieszcza-
j. Zamiast tego za pomoc rýnych ma-
nipulacji wykorzystujcych jdrowy re-
zonans magnetyczny doprowadza si« do
nich bramki logiczne. W istocie program
komputerowy, ktry ma zosta zrealizo-
wany, zakodowany jest w postaci szere-
gu impulsw o cz«stoæciach radiowych.
Pierwszy rachunek, ktry przeprowa-
dziliæmy, wykorzystywa¸ wyjtkowe
moýliwoæci obliczeÄ kwantowych wyni-
kajce z pomys¸owego algorytmu prze-
szukiwania opracowanego przez Lova
K. Grovera z Bell Laboratories. Typowy
komputer szukajcy wybranego elemen-
tu ukrytego gdzieæ w bazie danych sk¸a-
dajcej si« z
n
fiszek potrzebuje na jego
znalezienie przeci«tnie
n
/2 prb. Oka-
å
WIAT
N
AUKI
SierpieÄ 1998
53
IMPULS
180-STOPNIOWY
90¡ W Dîü
OBRîT
JDRA W¢GLA
ZA POMOC
IMPULSU
90¡ W Dîü
bywa si« to bez koniecznoæci zamroýe-
nia cieczy, co mog¸oby si« skoÄczy
utrat jej zdolnoæci do zachowania d¸u-
gich okresw koherencji.
Tak wi«c da si« zbudowa wi«ksze
komputery kwantowe. Jak szybkie mo-
g one by? Efektywny okres jednego cy-
klu komputera kwantowego okreæla naj-
d¸uýszy czas potrzebny, aby spiny si«
obrci¸y. Ten z kolei zdeterminowany
jest przez oddzia¸ywanie spinw i za-
wiera si« w przedziale od kilkuset do kil-
ku cykli na sekund«. Cho operowanie
tak niewieloma cyklami wydaje si« nie-
zwykle powolne w porwnaniu z mega-
hercow pr«dkoæci komputerw kon-
wencjonalnych, komputer kwantowy
z odpowiedni liczb qubitw mg¸by
osign taki stopieÄ kwantowej rwno-
leg¸oæci obliczeÄ, ktry zdo¸a¸by roz¸o-
ýy 400-cyfrow liczb« na czynniki
pierwsze w czasie oko¸o roku.
B«dc pod wraýeniem takich perspek-
tyw, rozmyælaliæmy usilnie, jak zbudo-
wa taki komputer w praktyce. Znale-
zienie czsteczek o wymaganej liczbie
atomw nie jest trudne. Problem jednak
w tym, ýe wraz ze wzrostem rozmiaru
czsteczki oddzia¸ywania pomi«dzy naj-
bardziej oddalonymi od siebie spinami
staj si« zbyt s¸abe, aby da¸o si« je za-
stosowa jako bramki logiczne. Nie
wszystko jednak stracone. Seth Lloyd
z MIT wykaza¸, ýe moýna w zasadzie
skonstruowa pot«ýny komputer kwan-
towy nawet wtedy, gdy kaýdy atom od-
dzia¸uje jedynie z kilkoma najbliýszymi
ssiadami Ð podobnie jak dziæ buduje
si« komputery rwnoleg¸e. Ten rodzaj
komputera kwantowego mg¸by zosta
wykonany z d¸ugich czsteczek w«glo-
wodorowych i oparty by¸by rwnieý na
technikach jdrowego rezonansu ma-
gnetycznego. Spiny wielu u¸oýonych
w d¸ugi ¸aÄcuch jder atomowych s¸uýy-
¸yby jako qubity.
Inn barier na drodze do praktycz-
nego wykorzystania jdrowego rezonan-
su magnetycznego w obliczeniach jest
koherencja. Obracajce si« w cieczy j-
dra zaczn Ð podobnie jak pozbawione
odpowiednich instrukcji p¸ywaczki syn-
chroniczne Ð traci koherencj« po czasie
od kilku sekund do kilku minut. Porw-
nanie najd¸uýszego czasu koherencji dla
p¸ynw z okresem charakterystycznym
jednego cyklu wskazuje, ýe z zachowa-
niem kwantowej koherencji moýna b«-
dzie wykona oko¸o 1000 operacji. Na
szcz«æcie okazuje si«, ýe czas ten da si«
wyd¸uýy, dodajc qubity w celu korek-
cji b¸«dw kwantowych.
Cho w klasycznych komputerach
teý stosuje si« dodatkowe bity do de-
tekcji i korygowania b¸«dw, wielu eks-
pertw by¸o zaskoczonych, gdy Shor
SZYBKO
WOLNO
SZYBKO
WOLNO
SZYBKO
WOLNO
90¡ DO GîRY
ODWRîCENIE
ZA POMOC
IMPULSU
90¡ DO GîRY
OBRîCONY
NIEOBRîCONY
BRAMKA LOGICZNA ãKONTROLOWANE NIEÓ odwraca jedno z dwch wejæ w spo-
sb warunkowany stanem drugiego wejæcia. Autorzy artyku¸u zbudowali kwantow bram-
k« ãkontrolowane NIEÓ, wykorzystujc oddzia¸ywania pomi«dzy spinami wodoru i w«gla
w czsteczce chloroformu. Najpierw impuls oscylujcy obraca jdro w«gla o 90
o
. Nast«p-
nie jdro to wykonuje precesj« Ð szybk, jeæli ssiedni wodr jest w jednym stanie; lub
woln, jeæli wodr znajduje si« w innym stanie. Po odpowiednim czasie stosuje si« kolej-
ny impuls 90-stopniowy, ktry powoduje, ýe w«giel albo odwraca si« (
z lewej
), albo wra-
ca do swojego stanu pocztkowego (
z prawej
), w zaleýnoæci od stanu, w jakim znajduje
si« ssiedni atom wodoru.
zuje si«, ýe algorytm kwantowego prze-
szukiwania zaproponowany przez Gro-
vera pozwala dokona tego w trakcie
Ö
n
prb. Przyk¸adem tej oszcz«dnoæci
jest nasz dwubitowy komputer kwanto-
wy, ktry potrafi odszuka element ukry-
ty na czteroelementowej liæcie w jednym
zaledwie kroku. Klasyczne rozwizanie
tego problemu przypomina prb« otwo-
rzenia dwubitowej k¸dki metod prb
i b¸«dw; ma¸o prawdopodobne jest zna-
lezienie odpowiedniej kombinacji za
pierwszym razem. Okazuje si«, ýe kla-
syczna metoda rozwizania problemu
wymaga przeci«tnie wykonania dwch
lub trzech prb.
Podstawowym ograniczeniem kom-
putera chloroformowego jest ma¸a licz-
ba zawartych w nim qubitw. Da si« j
zwi«kszy, ale nie moýe ona przekro-
czy liczby atomw w stosowanej cz-
steczce. Za pomoc istniejcej aparatu-
ry wykorzystujcej jdrowy rezonans
magnetyczny moýna skonstruowa
komputer majcy co najwyýej 10 qubi-
tw (wynika to z faktu, ýe w temperatu-
rze pokojowej nat«ýenie wymaganego
sygna¸u spada gwa¸townie wraz ze
wzrostem liczby magnetycznych jder
w czsteczce). Aparatura ta, zaprojek-
towana specjalnie do obserwacji odpo-
wiednich czsteczek, moýe podwyýszy
ten wskanik trzy- lub czterokrotnie.
Jednak do zbudowania wi«kszych kom-
puterw trzeba zastosowa inne tech-
nologie, takie jak pompowanie optycz-
ne konieczne do ãch¸odzeniaÓ spinw:
æwiat¸o odpowiedniego lasera pozwala
na efektywne u¸oýenie jder dzi«ki eli-
minacji ruchu termicznego moleku¸. Od-
54 å
WIAT
N
AUKI
SierpieÄ 1998
[ Pobierz całość w formacie PDF ]