Kvantna nadmoć
Intuitivno razumevanje moći kvantnog registra
Analogija između klasičnog i kvantnog računara predstavljena je sa ciljem intuitivnog razumevanja kubita. Za sada bi trebalo da se fokusiramo upravo na intuitivno razumevanje, pri čemu treba imati u vidu da ćemo preciznije znanje o principima rada kvantnog računara steći tek u narednim poglavljima.
Kod kvantnog računara, kvantni registar q0–q7 možemo da postavimo u superpoziciju i da, umesto samo jednog broja, u jednom trenutku imamo istovremeno prisustvo svih mogućih vrednosti registra, odnosno svih binarnih vrednosti od 0000 0000 do 1111 1111.
Da bismo shvatili koliko je velika moć kvantnih računara, moramo da se podsetimo da, na osnovu teorije informacija i Landauerovog zakona (5.1.6.2), svaka informacija ima materijalnu pozadinu, odnosno materijalni nosač. Bilo da je to jednostavan mehanički prekidač koji može biti u stanju ON, odnosno stanju 1, ili u stanju OFF, odnosno stanju 0, ili da je u pitanju, na primer, elektronsko kolo poznato kao flip-flop memorija, koje ima mikrodimenzije i nalazi se unutar memorijskog čipa, u oba slučaja ovi materijalni nosači čuvaju po jedan bit informacije: 0 ili 1.
Klasičan 8-bitni registar iz našeg primera sastoji se iz 8 minijaturnih flip-flop memorijskih jedinica koje čuvaju 8 bitova. Čak i najmanje memorijske jedinice ugrađene u memorijske čipove visokog kapaciteta sastoje se iz velikog broja atoma i molekula. Međutim, ako bismo zamislili da jednog dana ovladamo tehnologijom koja bi mogla da čuva 1 bit klasične informacije u samo jednom atomu, to bi značilo da bi nam za jedan 8-bitni registar bilo potrebno 8 atoma. Tih 8 atoma moglo bi u jednom trenutku da čuva jedno 8-bitno stanje.
Ako bismo, međutim, hteli da u istom trenutku raspolažemo svim mogućim vrednostima 8-bitnog registra, bilo bi nam potrebno: 8 × 256 = 2048 bitova, odnosno atoma koji bi predstavljali materijalne nosače tih informacija. To je, naravno, mali broj atoma koji može da stane u izuzetno malu zapreminu. Paralelno prisustvo svih vrednosti 8-bitnog registra važno je ako želimo da obavimo računicu koja se istovremeno odnosi na sve vrednosti jednog registra.
Međutim, analizirajmo sada kvantni računar koji ima, na primer, samo 300 kubita. Registar od 300 kubita formalno može da se opiše kao superpozicija 2300 različitih 300-bitnih baznih stanja. Ako bi jednu klasičnu memorijsku lokaciju, kao što smo već rekli, predstavljao samo jedan atom, to bi značilo da bi nam za klasičnu reprezentaciju svih 2300 različitih stanja 300-bitnog registra bilo potrebno 300 × 2300 atoma. Čak i ako bismo jedan ceo 300-bitni broj, potpuno idealizovano, predstavili samo jednim atomom, za istovremeno klasično enkodovanje svih 2300 različitih stanja ovog registra bilo bi potrebno 2300 atoma.
Grube procene, bazirane na masi Zemlje i hemijskim elementima iz kojih je sastavljena, ukazuju na to da se na planeti Zemlji nalazi približno 1,33 × 1050 ≈ 2166 atoma, dok se u vidljivom univerzumu nalazi približno 1080 ≈ 2266 atoma. Kako je onda moguće da jedan mali kvantni računar od 300 kubita raspolaže sa 2300 kvantnih baznih stanja u superpoziciji, od kojih svako može da doprinese ukupnoj slici, odnosno ukupnom rezultatu algoritma?
Postoji više interpretacija kvantne fizike koje pokušavaju da odgovore na pitanje šta se zaista događa u kvantnom svetu. Ove interpretacije obrađene su u poglavlju 4.2 Ontologija kvantnog sveta. Važno je naglasiti da analogija između različitih stanja klasične memorije, koju bismo čuvali u atomima, i različitih stanja kubita nije potpuna. Ovde je prikazana ova vrsta analogije kako bi se stekao intuitivni osećaj, iako između klasične memorije i kvantne superpozicije postoje važne razlike.
Naime, atomi ili druge klasične memorijske jedinice mogu da čuvaju vrednosti bitova koje sami izaberemo. Međutim, registar kubita u standardnoj superpoziciji ne predstavlja proizvoljno izabran skup klasičnih vrednosti, već kvantno stanje koje se matematički opisuje amplitudama svih baznih stanja, od 0000… do 1111….
Ono što je vrlo važno istaći jeste da, bez obzira na interpretaciju, matematički model kvantne fizike izuzetno precizno predviđa rezultate kvantnih eksperimenata i kvantnih algoritama. Izraz „ćuti i računaj“ označava stav prema kojem, ako nekome nije jasno kako kvantni sistemi funkcionišu u ontološkom smislu, to nije presudno za praktično izračunavanje. Ono što je tada važno jeste da znamo da primenimo matematički model kvantne fizike koji daje tačna predviđanja. Međutim, cilj ove knjige je drugačiji. Cilj nije samo razumevanje matematičkog modela, već i intuitivno razumevanje koje omogućava sagledavanje kvantnih algoritama i na logičkom nivou.
Ovde se već nazire neverovatna prednost kvantnih računara. Broj kvantnih baznih stanja koja se pojavljuju u opisu registra od 300 kubita daleko nadmašuje ukupan broj atoma u vidljivom univerzumu. To dovoljno govori o tome da kvantni svet otvara vrata nečemu zaista velikom.