Wydawca: Prószyński Media Kategoria: Nauka i nowe technologie Język: polski

Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych ebook

John Gribbin

(0)

Uzyskaj dostęp do tej
i ponad 20000 książek
od 6,99 zł miesięcznie.

Wypróbuj przez
7 dni za darmo

Ebooka przeczytasz w aplikacjach Legimi na:

e-czytniku kup za 1 zł
tablecie  
smartfonie  
komputerze  
Czytaj w chmurze®
w aplikacjach Legimi.
Dlaczego warto?
Czytaj i słuchaj w chmurze®
w aplikacjach Legimi.
Dlaczego warto?
Liczba stron: 358 Przeczytaj fragment ebooka

Odsłuch ebooka (TTS) dostępny w abonamencie „ebooki+audiobooki bez limitu” w aplikacji Legimi na:

Androida
iOS
Czytaj i słuchaj w chmurze®
w aplikacjach Legimi.
Dlaczego warto?

Ebooka przeczytasz na:

Kindlu MOBI
e-czytniku EPUB kup za 1 zł
tablecie EPUB
smartfonie EPUB
komputerze EPUB
Czytaj w chmurze®
w aplikacjach Legimi.
Dlaczego warto?
Czytaj i słuchaj w chmurze®
w aplikacjach Legimi.
Dlaczego warto?
Zabezpieczenie: watermark Przeczytaj fragment ebooka

Opis ebooka Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych - John Gribbin

Komputery kwantowe to jeden z najbardziej gorących tematów w fizyce drugiego dziesięciolecia XXI wieku.

Komputery kwantowe to jeden z najbardziej gorących tematów w fizyce drugiego dziesięciolecia XXI wieku. Nie tylko dlatego, że cząstki znajdujące się – podobnie jak słynny kot Schrödingera – w superpozycji stanów stanowią źródło nieporównywalnie większej mocy obliczeniowej niż ta, którą dysponują klasyczne komputery. Przede wszystkim, już sama idea kwantowego komputera wiele wnosi do toczącej się od blisko stulecia dyskusji o naturze naszej rzeczywistości. Nie bez powodu jeden z najsłynniejszych współczesnych fizyków, David Deutsch, w swojej argumentacji, dotyczącej wszechświatów równoległych, odwołuje się właśnie do kwantowej maszyny.

Jak działają komputery kwantowe? Co łączy je z koncepcją nieskończonego Multiświata Davida Deutscha? Czy wkrótce czeka nas technologiczna rewolucja na niespotykaną dotąd skalę? W książce „Kubity i kot Schrödingera” John Gribbin odpowiada na te pytania z właściwą sobie lekkością pióra, błyskotliwością i pasją. 

Ta książka sprawi czytelnikom niejedną niespodziankę. 

„Forbes”

John Gribbin to jeden z najwybitniejszych współczesnych pisarzy popularnonaukowych, autor bestsellerów, m.in. „W poszukiwaniu Multiświata”, „Podróż do granic Wszechświata” i „Dlaczego jesteśmy”. Słynie ze zdolności prostego wyjaśniania złożonych zagadnień. Twierdzi, że w twórczości pisarskiej — w znacznej mierze z udziałem żony, Mary Gribbin — stawia sobie za cel dzielenie się z czytelnikami swoim zachwytem nad osobliwościami Wszechświata. John Gribbin studiował astrofizykę w Cambridge, obecnie odbywa staż naukowy jako stypendysta Katedry Astronomii w University of Sussex.

Opinie o ebooku Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych - John Gribbin

Fragment ebooka Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych - John Gribbin

Tytuł oryginału

COMPUTING WITH QUANTUM CATS

From Colossus to Qubits

Copyright © John and Mary Gribbin 2014

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

Sven Geier

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Bronisława Dziedzic-Wesołowska

ISBN 978-83-8069-964-9

Warszawa 2015

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Podziękowania

Książka ta oparta jest na rozmowach z członkami zespołu zajmującego się problematyką komputerów kwantowych na Uniwersytecie Sussex, zwłaszcza z Winfriedem Hensingerem; uzmysłowił mi on ogromny postęp, jaki osiągnięto w praktycznej realizacji idei, które zaledwie kilka lat temu wydawały się czysto spekulatywne. Posiadałem już pewną wiedzę o tych zadziwiających koncepcjach dzięki Davidowi Deutschowi z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Terry’emu Rudolphowi z londyńskiego Imperial College. Dziękuję również zawsze chętnym do pomocy pracownikom Bletchley Park, Gonville and Caius College w Cambridge oraz Archiwum Davida Bohma z Birkbeck College w Londynie, jak również Johnowi Carlowi, Frankowi Carte­rowi, Terry’emu Clarkowi, Davidowi Darlingowi, Arturowi Ekertowi, Lucien­owi Hardy’emu, Markowi Hogarthowi, Betty Houghton, Tero Keski­-Valkamie, Tony’emu Leggettowi, Lawrence’owi Lernerowi, Irfanowi Siddiqiemu i Michelle Simmons.

WSTĘP

Tam, gdzie liczą kwantowe koty

Fizycy, zarówno teoretyczni, jak i eksperymentalni, są obecnie podekscytowani perspektywą skonstruowania komputerów wykorzystujących właściwości układów kwantowych. Budzą one również duże zainteresowanie kręgów wojskowych – które przeznaczają znaczne środki na ich rozwój – oraz wielkiego biznesu. Obliczenia kwantowe, które stały się jednym z najgorętszych tematów naukowych drugiej dekady XXI wieku, polegają na manipulowaniu obiektami kwantowymi (elektronami, fotonami lub pojedynczymi atomami) znajdującymi się w dwóch stanach naraz – zupełnie jak jednocześnie żywy i martwy kot ze słynnego eksperymentu myślowego Schrödingera. Stąd wziął się tytuł tej książki.

Jest to czas przełomu w technologii obliczeniowej, ponieważ komputery kwantowe nie tylko wykonują wszystkie operacje znacznie szybciej niż konwencjonalne komputery – jakkolwiek nie ulega wątpliwości, że tak właśnie jest. Na przykład można ich użyć do łamania szyfrów, które konwencjonalnym komputerom zajęłyby dosłownie całe wieki, co jest atrakcyjne dla wojska i wielkiego biznesu. Wiadomo o tym teoretycznie od dziesięcioleci (jednym z pierwszych badaczy, którzy snuli spekulacje na ten temat, był Richard Feynman), ale dopiero teraz stworzono praktycznie działające komputery kwantowe. Co prawda, na razie są to bardzo duże, drogie i kapryśne urządzenia, pozwalające na rozwiązywanie jedynie bardzo prostych problemów, takich jak na przykład znajdowanie podzielników liczby 15. Jednakże nikt, kto był świadkiem ewolucji konwencjonalnych komputerów od drogich, kapryśnych, zajmujących całą przestrzeń laboratorium maszyn pełnych żarzących się „lamp” do komputera osobistego i iPada, nie ma wątpliwości, że w ciągu dziesięciu lat świat komputerowy ulegnie radykalnemu przeobrażeniu. Wyrażając się bardziej ezoterycznie, powiedziałbym, że dzięki takim maszynom fizycy będą w stanie zmierzyć się z naturą świata kwantowego, w którym możliwa jest komunikacja szybsza niż prędkość światła, a cząstki mogą być w dwóch miejscach jednocześnie. Nie znamy jeszcze wszystkich ich możliwości, lecz możemy śmiało powiedzieć, że komputery kwantowe będą stanowiły równie wielki postęp w stosunku do komputerów konwencjonalnych, jak komputery konwencjonalne w stosunku do liczydła.

Komputery konwencjonalne – często określane mianem „klasycznych” – przechowują i przetwarzają informację w formie jednostek binarnych, czyli bitów, które są jak gdyby przełącznikami mogącymi przyjmować dwa położenia: włączony–wyłączony, góra–dół. Stany takiego przełącznika wyrażane są jako liczby 0 i 1, a całe funkcjonowanie komputera sprowadza się do zmieniania ustawień tych przełączników w odpowiedni sposób. Mój własny komputer, gdy piszę te zdania przy użyciu procesora tekstowego, odtwarza jednocześnie muzykę, a w tle uruchomiony jest klient poczty elektronicznej, który wyświetla mi komunikat, ilekroć nadejdzie nowa wiadomość. Wszystko to, jak i wiele innych rzeczy, które potrafią robić komputery, jest możliwe dzięki temu, że ciągi zer i jedynek są przemieszczane i manipulowane w „mózgu” komputera1.

Osiem bitów tworzy bajt, a ponieważ w tym wypadku liczymy w systemie o podstawie 2 zamiast 10, kolejne rzędy wielkości wynoszą nie 10, 100, 1000 itd., lecz 2, 4, 8, 16 itd. Tak się składa, że 210 równa się 1024, co jest bliskie 1000, a ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do liczenia przy podstawie 10, 1024 bajty nazywamy kilobajtem. Analogicznie 1024 kilobajty tworzą megabajt, a 1024 megabajty – gigabajt. Twardy dysk mojego laptopa może pomieścić 160 gigabajtów informacji, a jego „mózg” – procesor – przetwarza w jednej chwili do dwóch gigabajtów w postaci ciągów zer i jedynek (jest to już dość stary komputer; „tegoroczne modele” charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami).

Natomiast komputer kwantowy funkcjonuje zupełnie inaczej. W świecie kwantowym stany obiektów, takich jak elektrony, mogą tworzyć superpozycję. Oznacza to, że przełącznik kwantowy może przyjmować jednocześnie obydwa stany – włączony i wyłączony – podobnie jak jednocześnie „martwy i żywy” kot Schrödingera. Same elektrony, na przykład, mają właściwość zwaną spinem, która nie jest tym samym, co określamy tym słowem w świecie naszego życia codziennego2, lecz można przyjąć, że oznacza on, iż elektron jest skierowany w górę albo w dół. Jeśli przyjmiemy, że „w górę” odpowiada zeru, a „w dół” jedynce, to będziemy mieli binarny przełącznik kwantowy. W odpowiednich warunkach przełącznik może znajdować się w stanie, kiedy wskazuje jednocześnie w górę i w dół, zatem łącznie daje to trzy możliwości!

Pojedynczy przełącznik kwantowy znajdujący się w superpozycji stanów może „zapamiętać” liczby 0 i 1 jednocześnie. Nawiązując do języka komputerów klasycznych, taki kwantowy przełącznik nazywamy kubitem, podobnie jak jednostkę miary długości stosowaną w czasach biblijnych. To kubity są właśnie „kwantowymi kotami” z tytułu tej książki. Istnienie kubitów ma oszałamiające konsekwencje. Przy użyciu dwóch klasycznych bitów, na przykład, da się zapisać każdą z czterech liczb od 0 do 3, ponieważ mogą one występować w czterech kombinacjach: 00, 01, 10 i 11. Aby przedstawić jednocześnie wszystkie cztery liczby (0, 1, 2 i 3), potrzebowalibyśmy czterech par cyfr, czyli jednego bajta, tymczasem da się to zrobić przy użyciu zaledwie dwóch kubitów. Ciąg bitów (lub kubitów) służący do zapamiętywania w ten sposób liczb nazywamy rejestrem. Rejestr złożony z ośmiu kubitów (jednego kubajta) może przechowywać nie cztery, lecz 28, czyli 256 liczb jednocześnie. David Deutsch, fizyk z Oksfordu, powiedziałby, iż reprezentuje on 256 różnych wszechświatów w ramach multiświata, odpowiadających jednej i tej samej informacji.

W działającym komputerze kwantowym każda manipulacja dotycząca którejś z 256 liczb reprezentowanych przez ten kubajt dokonywana jest jednocześnie na wszystkich 256 wszechświatach, tak jak gdybyśmy mieli 256 odrębnych komputerów klasycznych, z których każdy obrabia jeden aspekt z całego problemu w naszym Wszechświecie, albo jeden komputer wykonujący kolejno 256 operacji, po jednej na każdą z liczb. Wybiegając dalej w przyszłość, możemy przewidywać, że komputer kwantowy wyposażony w 30-kubitowy procesor będzie miał moc obliczeniową odpowiadającą konwencjonalnej maszynie o mocy 10 teraflopów (bilionów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę) – dziesięć tysięcy razy szybciej niż współczesne komputery osobiste, których moc wyraża się w gigaflopach (miliardach operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Liczby te świadczą o kolosalnej mocy komputera kwantowego, trudność polega jednak na uzyskaniu użytecznego wyniku po zakończeniu obliczeń – doprowadzeniu do tego, by wszystkie owe odrębne wszechświaty interferowały ze sobą w odpowiedni sposób, dając odpowiedź, którą jesteśmy w stanie zrozumieć, bez utraty istotnej informacji w tym procesie. Przeszkodę tę udało się ostatnio pokonać kilku zespołom badawczym z całego świata, w tym zespołowi z mojej macierzystej uczelni, Uniwersytetu Sussex. Z tej książki dowiecie się, jak, z teoretycznego punktu widzenia, zbudować komputer kwantowy. Aby jednak ukazać to w szerszym kontekście, przedstawię całą historię obliczeń maszynowych w znanej nam postaci od ich początków w latach trzydziestych XX wieku, czyli mniej niż jedno dłuższe ludzkie życie, oraz dokonania człowieka, który się do tego pierwszy przyczynił.

1Niniejsze omówienie zaczerpnięte jest z mojej książkiW poszukiwaniu Multiświata, gdyż nie mógłbym wymyślić nic lepszego.

2 Angielskie słowo spin oznacza „wirować” (przyp. tłum.).

CZĘŚĆ PIERWSZA

Obliczanie

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Podziękowania

WSTĘP. Tam, gdzie liczą kwantowe koty

CZĘŚĆ PIERWSZA. Obliczanie

ROZDZIAŁ 1. Turing i jego maszyna

DZIECKO IMPERIUM

SHERBORNE

CAMBRIDGE…

…I PRINCETON

BLETCHLEY I „BOMBA”

ROZKWIT COLOSSUSA

ROZCZAROWANIE: DZIEDZICTWO BLETCHLEY

ROZDZIAŁ 2. Von Neumann i jego maszyny

JANCSI

JOHNNY I INSTYTUT

JOHNNY I BOMBA

AMERYKAŃSKA SPUŚCIZNA

NIEMIECKA DYGRESJA

DRUGI ELEMENT

ENIAC

VON NEUMANN WCHODZI DO GRY

SAMOREPLIKUJĄCE SIĘ ROBOTY

INTERLUDIUM PIERWSZE. Ograniczenia komputerów klasycznych

CZĘŚĆ DRUGA. Kwanty

ROZDZIAŁ 3. Feynman i kwanty

MIT

Z PRINCETON DO LOS ALAMOS

SCHRÖDINGER I JEGO RÓWNANIE

EKSPERYMENT Z DWOMA OTWORAMI

CAŁKOWANIE PO HISTORIACH

DOKTORAT O ZASADZIE

KOTY NIE KOLAPSUJĄ

DROGA DO OBLICZEŃ KWANTOWYCH

FREDKIN, FEYNMAN I PRZYJACIELE

ROZDZIAŁ 4. Bell i splątanie kwantowe

KŁOPOTLIWY PILOT

VON NEUMANN SIĘ MYLI

UPIORNE DZIAŁANIE NA ODLEGŁOŚĆ

BOHM DOKONUJE RZECZY NIEMOŻLIWEJ

OD BELFASTU DO BOHMA I JESZCZE DALEJ

GŁUPI BŁĄD VON NEUMANNA I NIERÓWNOŚĆ BELLA

PIERWSZE OWOCE

DOMYKANIE FURTKI

INTERLUDIUM DRUGIE. Granice kwantowe

CZĘŚĆ TRZECIA. Komputery kwantowe

ROZDZIAŁ 5. Deutsch i multiświat

EVERETT POMNAŻA ŚWIAT

POKONYWANIE PROBLEMU POMIARU

ŚWIATY DEUTSCHA

MIARA WSZECHŚWIATÓW

DOBRE: DOGODNE ŁAMANIE SZYFRÓW

ZŁE: OGRANICZENIA OBLICZEŃ KWANTOWYCH

BRZYDKIE: SPRAWIENIE, BY TO DZIAŁAŁO

ROZDZIAŁ 6. Następcy Turinga i maszyny kwantowe

PODSTAWOWE KRYTERIA

JOSEPHSON I JEGO ZŁĄCZE

LEGGETT I SQUID

SQUID-Y W PROCESIE OBLICZENIOWYM

ZAGANIANIE ELEKTRONÓW DO KWANTOWYCH KROPEK

OPCJA JĄDROWA

NMR W SZCZEGÓŁACH

PUŁAPKI JONOWE ZYSKUJĄ UZNANIE

TANGO TELEPORTACYJNE

FRAJDA Z FOTONAMI

KODA. Kwantum niezgody

Źródła i dodatkowa literatura