Kompjuterët Kuantik

“Nëse ndokush nuk është trondit nga teoria kuantike, atëherë nuk e ka kuptuar atë.” Niels Bohr

Njehsimi kuantik është vazhdimësi e njehsimit klasik për të përpunuar informatën kuantike duke përdorur sistemet kuantike si atomet e veçanta, molekulat ose fotonet. Teoria e kuanteve posedon potencialin që të nxit një revolucion mahnitës në shkencën e kompjuterikës. Kompjuterët elektronik të ditëve të sotme po thuajse nuk janë krejtësisht të ndryshëm nga kompjuterët tërësisht mekanik, për më tepër që operacionet e të dy llojeve mund te përshkruhen tërësisht nga fizika klasike. Për dallim nga këta, në parim më përfituese do të ishte të ndërtoheshin kompjuterë nga fenomeni i vërtetë kuantik i cili dallon rrënjësisht nga modeli klasik. Duke qënë se të gjithë kompjuterët kanë për synim përpunimin e të dhënave. atëherë e njëjta qëndron edhe me kompjuterët kuantik tek të cilët njësia më imët e informatës kuantike është biti kuantik ose kubiti. Bitët e modelit klasik zakonisht kane dy gjendje 0 dhe 1, por kubitët mund të jenë në mbipozicion linear te dy gjendjeve klasike. Kështu, kompjuterët e bazuar ne teorinë e kuanteve mund te punojnë eksponencialisht më shpejte sesa kompjuterët klasik sepse n kubitëve ju duhen 2n numra për përshkrimet e tyre.

Figura 1. Teoria kuantike (Accelerating Future, 2007)

Figura 1. Teoria kuantike (Accelerating Future, 2007)

Origjina e Informatikës Kuantike

Informatika kuantike apo informatika e bazuar në teorinë e kuanteve daton që nga fundi i viteve të 70-ta. Ishte koha kur shkencëtarët e fizikës dhe te kompjuterikës si Paul Benioff nga Laboratori Kombëtar i Argones, Charles Bennett nga IBM, David Deutsch nga Universiteti i Oksfordit dhe Richard Feynman nga Instituti për Teknologji i Kalifornisë po diskutonin mënyrat e aplikimit te teorisë kuantike në kompjuterizëm. Ne vitin 1965, Gordon E. Moore parashikoji qe në çdo dy vite numri i transistorëve të vendosur ne çip do te dyfishohet. Kjo sot njihet si Ligji i Moore.

Figura 2. Ligji i Moor (Universidad Complutense Madrid, pa datë)

Figura 2. Ligji i Moor (Universidad Complutense Madrid, pa datë)

Ky parashikim i Moore, në fakt ishte tema e diskutimit të zotërinjve të përmendur më larte gjatë takimeve të tyre në fund të viteve të 70-ta. Ajo çfarë po u interesonte me shume këtyre shkencëtarëve ishte fakti që çfarë do të ndodhte kur numri i transistorëve të vendosur ne një çip do te arrinte nivelin e atomit? Kjo pyetje u debatua me vite të tëra deri sa ne vitin 1994 Peter Shor nga Instituti për Hulumtime i AT&T përshkroi algoritmin për faktorizimin e numrave eksponencialisht të mëdhenj më të shpejtë sesa kompjuterët tradicional janë ne gjendje ti trajtojnë ata. Algoritmi i Peter nxiti interesim të madhe tek shumica e shkencëtarëve për të gjetur mënyrën e ndërtimit te kompjuterit kuantik. Një nga këta shkencëtarë është edhe Isaac Chuang nga Qendra për Kërkime ne Almaden e IBM, i cili udhëhoqi ekipin për të eksperimentuar algoritmin e Shorit. Ne këtë eksperiment, Chuang dhe kolegët e tijë krijuan molekulën e përberë nga pesë atome të florit dhe dy të karbonit për te vazhduar pastaj me eksperimentin e kontrolluar në ampulë duke përdorur me miliarda molekula të këtilla për të llogaritur faktorizimin e numrit 15. Ky eksperiment pati sukses, me çka ideja për të vendosur themelet e informatikës kuantike u avancua akoma më shumë nga ekipi i Chuang dhe si rezultat i këtij angazhimi u zhvilluan disa algoritme që ndihmuan në realizmin e kompjuterit kuantik 3-kubitësh ne vitin 1999 dhe të kompjuterit kuantik 5-kubitësh në vitin 2000.

Figura 3. Dr. Chuang duke mbajtur ampulën (IBM, 2001)

Figura 3. Dr. Chuang duke mbajtur ampulën (IBM, 2001)

Progresi

Duke pas ne konsideratë tërë këtë angazhim të shkencëtarëve nëpër dekada, shtrohet pyetja se a kemi arritur ne sot ta ndërtojmë kompjuterin kuantik për përdorim ditor? Sipas artikullit te revistës Economist të datuar nga Maji i vitit 2006, përgjigjja e pyetjes se mësipërme është “si ta fusim kubitin në shishe”? Sot, shkencëtarët po përdorin mënyrat dhe teknikat nga më të ndryshmet për të realizuar këtë! Një metodë është të bombardohet kubiti me mikrovalë. Kubiti duhet të mbahet larg nga bashkëveprimi me objektet tjera në mënyrë që të ruan mbipozicionimin e tij kuantik. Një grup tjetër i shkencëtareve ka arritur të fus atomin e nitrogjenit në brendi të sferës së krijuar nga gjashtëdhjetë atome të karbonit. Ata përdorën elektronet e saj si një kubit i vetëm.

Një qasje tjetër, përdorë jonet (atomet e ngarkuara me elektricitet) e vendosura në kurthë duke lëkundur valët elektromagnetike si kubite të saj. Ne vitin 2005, një ekip hulumtuesish nga Universiteti i Miçiganit arriti të realizon çipin gjysmëpërçues që shërbente si kurthë e joneve. Pajisja u ndërtua nga teknikat standarde te litografisë. Kjo u pa si një mundësi e mirë për të prodhuar kompjuterët kuantik.

Qasja e tretë, e zhvilluar nga ekipi për hulumtim në Laboratorin për Hulumtime të Hitachi në Cambridge, vlerësohet ti afrohet konceptit praktik. Ideja e ekipit bazohet në përdorimin e çipave ekzistues nga silici për të ndërtuar kompjuterin kuantik përmes prodhimit të “pikave kuantike”, grimca të materialit që do të shërbejnë si kubite në sipërfaqet e tyre. Pastaj, këto pika do të përdoren nga strukturat me shkallë të gjërë për të krijuar diçka të përngjashme me kompjuterin e vërtetë sesa vetëm një kureshtje laboratorike. Vërtetë, tl gjithë elementet e duhur për një kubit gjysmëpërçues u krijuan në këtë laborator, me çka edhe disa nga këto elemente u bënë që të punojnë së bashku. Megjithëkëtë, qarku i plotë ka mbetur për tu vërtetuar.

Kombinimi i teknikave për ftohje te cilësisë se lartë dhe zhvillimi i materialeve te reja, mbase do të mundësojnë që kompjuteri kuantik të bëhet realitet. Sot, grupe të shumta shkencëtarësh po punojnë ne drejtime te ndryshme për të tejkaluar pengesat aktuale që u shfaqen si rezultat i eksperimenteve të shtuara laboratorike.

Figura 4. Çipi i kompjuterit kuantik me madhësi 5 mm2 (Next Big Future, 2006)

Figura 4. Çipi i kompjuterit kuantik me madhësi 5 mm2 (Next Big Future, 2006)

Faza e Hershme

Informatika kuantike akoma është në fazën e hershme të zhvillimit të saj dhe teknologjia e nevojshme për ndërtimin e kompjuterit kuantik praktik është larg me vite. Pjesa dërmuese e hulumtimeve të bëra deri më tani në informatikën kuantike mbesin akoma vetëm koncepte teorike. Kompjuteri kuantik duhet të ketë në dispozicion disa qindra kubite për të qënë në gjendje të zgjidh problemet në boten reale dhe kështu të shërbejë si sistem i zbatueshëm për njëhsim. Kompjuterët kuantik më të avancuar nuk kan arritur akoma që të operojnë me më shumë se 7 kubite, qe do te thotë se ata akoma janë ne fazën e “1 + 1”. Megjithatë, vazhdohet të besohet se kompjuterët kuantik një ditë do të jenë në gjendje të kryejnë shpejtë dhe lehtë llogaritjet të cilat u marrin shumë kohë kompjuterëve të sotshëm.

Fuqia e informatikës kuantike vjen nga paralelizmi kuantik. Megjithatë, shfrytëzimi i kësaj fuqie është e ndërlikuar. Në paralelizmin klasik, zvogëlimi eksponencial në kohë kërkon rritjen eksponenciale të numrit të procesorëve. Në sistemet kuantike, hapësira llogaritëse rritet eksponencialisht me numrin e grimcave! Triku qëndron në faktin se përderisa sistemi kuantik mund të kryej llogaritje paralele masive, qasja e rezultateve kërkon sistem masash të cilat mund të çrregullojnë gjendjen kuantike te sistemit.

Gradualisht pengesat po kapërcehen, me çka do të sigurohen njohuritë e nevojshme për ti shtyrë kompjuterët kuantik deri n pozitën e duhur si makinat llogaritëse më të shpejta ekzistuese. Prapë se prapë, disa nga pengesat e mëdha vazhdojnë të jenë prezente duke na penguar që të ndërtojmë një kompjuter kuantik ose më mirë të thuhet të ndërtohet kompjuteri kuantik i cili do të sfidon kompjuterin digjital modern të sotëm. Në mesin e këtyre pengesave, korrigjimi i gabimeve, dekoherenca dhe arkitektura harduerike me sa duket janë më të vështirat.

Korrigjimi i gabimeve është mjaft vetëshpjegues, atëherë cilët gabime kanë nevojë për korrigjim? Kryesisht, përgjigja bazohet në gabimet që shkaktohen si rezultat i drejtpërdrejt nga dekoherenca ose tendenca e kompjuterëve kuantik të dobësohen nga gjendja e dhënë kuantike në një gjendje të palidhur përderisa bashkëvepron ose ngatërrohet me gjendjen e mjedisit.

Te gjitha këto fenomene e pajisin kompjuterin kuantik me aftësi të caktuara që nuk mund të arrihet, as edhe në parim, nga asnjë kompjuterë klasik. Ndonëse, mjerisht këto fenomene kuantike në mënyrë të veçantë janë prekëse në aspektin e zhurmës dhe jopërsosurisë së makinës. Duhet gjetur një skemë e cila tejkalon këto vështirësi në qoftë se synohet që një ditë kompjuterët kuantik të bëhen pajisje praktike.

Figura 5. Kompjuteri i pare kuantik me 16-kubit i demonstruar nga Kompania Kanadeze D-Wave (TFOT, 2007)

Figura 5. Kompjuteri i pare kuantik me 16-kubit i demonstruar nga Kompania Kanadeze D-Wave (TFOT, 2007)

Bashkëveprimet në mes të mjedisit dhe kubitëve janë të pashmangshme dhe shkaktojnë dobësim të informatës se ruajtur në kompjuterët kuantik dhe kështu edhe gabime në llogaritje. Para se ndonjë kompjuter kuantik të jetë në gjendje të zgjidh probleme të vështira, hulumtimi duhet të sajoj mënyrë për të mbajtur dekoherencën dhe burimet tjera potenciale të gabimeve në një nivel të pranueshëm.

Një arsye tjetër se perse informatika kuantike akoma konsiderohet të jete në fazën e saj të hershme është edhe fakti se hardueri i kompjuterit kuantik ndodhet në hapat e parë të zhvillimit të tijë. Aktualisht, hulumtimet po ecin në drejtimin për të gjetur metodat e luftimit të efekteve shkatërruese të dekoherencës për të qene në gjendje të zhvillohet një arkitekture harduerike optimale për dizajnimin dhe ndërtimin e kompjuterit kuantik si dhe të shpalosen me tutje algoritmet për përdorim të fuqisë së shkëlqyeshme që këto pajisje e posedojnë.

Mundësitë

Po të shikojmë mbrapa në të kaluarën, vërejmë që paraardhësi i kompjuterit personal të sotëm ka peshuar 30 tonë dhe ka qene i pajisur me 19,000 gypa katodik, 1,500 rele dhe qindra mijëra rezistorë, kondensatorë dhe induktor ashtu që të gjitha së bashku konsumonin përafërsisht 200 kilowatt energji elektrike. Kompjuteri ENIAC ka qenë kompjuter i mrekullueshëm i kohës së vetë i aftë për të llogaritur prodhimin e dy numrave 10 shifrorë për vetëm 2.6 milisekonda.

Figura 6. Një inxhinier duke ndërruar njërin nga 19,000 gypat katodik ne kompjuterin ENIAC (State of the Line, 2008)

Figura 6. Një inxhinier duke ndërruar njërin nga 19,000 gypat katodik ne kompjuterin ENIAC (State of the Line, 2008)

Për dallim nga kompjuterët elektornik, kompjuterët kuantik ofrojnë fuqi llogaritëse të jashtëzakonshme, posaçërisht në varësi me madhësinë e tyre. Sipas Institutit Kombëtar te Standardeve dhe Teknologjisë, kompjuteri kuantik me 300 kubite potencialisht ofron më shume fuqi përpunuese se sa kompjuteri klasik qe do te përmbante aq shume bite sa ka grimca ne univers. Gjithashtu, Philip Dunn na tregon që kompjuteri kuantik teorikisht përmban më shume fuqi përpunuese sesa truri i njeriut në një hapësirë të vogël. Megjithatë, realiteti njëherë për njëherë qëndron ne faktin qe një kurthë qe do të përmbante disa jone të ngarkuara kërkon hapësirë strehimi prej 0.03 metër kub. Shto këtu, që numri i madhe i sistemeve elektronike dhe lazerike të cilët përdorin jonet, kërkojnë hapësirë të konsiderueshme të akomodimit. Mbase, një ditë shkencëtarët do të gjejnë mënyrat e ndrydhjes të më shumë se 1 miliardë kubite të atomeve neutrale në një procesor me madhësi më të vogël se një kub i sheqerit. Për arsye të fuqisë eksponenciale që kompjuterët kuantik ofrojnë, atëherë sigurisht edhe aplikacione interesante do te zhvillohen.

Aplikacionet

Gjurmuesit e hershem në këtë fushë ishin të mahnitur nga potenciali i një fuqie llogaritëse të pafund dhe porsa kuptuan këtë potencial i’u rreken gjetjes së diçkaje interesante me të cilën kompjuterët kuantik do të merreshin. Keshtu, Peter Shor realizoi një aplikacion duke sajuar algoritmin e parë për kompjuterin kuantik. Algoritmi i Shor shfrytëzon fuqinë e mbipozicionimit kuantik që në mënyrë të shpejte të faktorizon numra shumë të mëdhenj (te rregullit ~10200 shifra dhe më shume) për pak sekonda. Aplikacioni i parë i kompjuterit kuantik i aftë për të implementuar këtë algoritëm ndodhet në fushën e enkriptimit ku një kod enkriptimi i rëndomtë (dhe me i mirë) i njohur si RSA bazohet kryesisht në vështirësitë e faktorizimit të numrave të mëdhenj të përbërë në primet e tyre. Kompjuteri qe do të mund ta bëjë këtë në mënyrë të lehtë natyrisht qe do të jete me leverdi të madhe për agjencitë e shumta qeveritare që përdorin RSA, më parë të njohura si të padeshifruara, si dhe për secilin i interesuar në intimitetin elektronik dhe financiar.

Megjithatë, enkriptimi paraqet vetëm njërin aplikacion të kompjuterit kuantik. Veç kësaj, Shor ka përmbledhur së bashku një pako veglash të operacioneve matematikore të cilat mund të ekzekutohen në kompjuterin kuantik, shume nga të cilat ai i ka përdorur ne algoritmin e tij për faktorizim. Gjithashtu, Feynman ka pohuar qe kompjuteri kuantik mund te funksionoj si lloj i simulatorit te fizikes kuantike, potencialisht duke hapur dyert zbulimeve të shumta në këtë fushë.

Hulumtimet në palosjen e proteinave me qellim te zbulimit te ilaçeve te reja, vlerësimi i modeleve fizike të ndryshme të universit, të kuptuarit e super përçuesve të rinj ose projektimi i kompjuterëve kuantik do të kërkojnë me shume fuqi përpunuese nga kompjuterët klasik sesa ajo që supozohet se do të ekzistoje në tokë në dekadën e ardhshme. Prapë se prapë, meqë kompjuterët kuantik mund të paraqesin një vlerë eksponenciale të informatës, atëherë ata mund ti bëjnë këto gjurmime te shtruara.

Konkluzioni

Kompjuteri kuantik paraqet një alternativë premtuese të kompjuterit të së ardhmes. Edhe pse aktualisht fuqia dhe mundësitë e kompjuterit kuantik kryesisht janë arsyetime teorike, realizmi i kompjuterit të parë kuantik plotësisht funksional në një të ardhme të afërt pa dyshim do te hapë rrugët për zhvillimin e aplikacioneve te reja me interes te veçantë për njerëzimin.

Shpresoj që ky postim të jetë informues për ju të dashur lexues.

paqe dhe shëndet,

Bekimi

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s