Kvantumkomputiko

R. Feynman [fAJnman]: "There is plenty of room at the bottom" ("estas multe da spaco malsupre"), (1959)

La kvantumkomputiko, la kvanta informa teorio, la kvantumaj komputiloj... ekde kelkaj jaroj oni aŭdas kaj legas novaĵojn pri tio, sed ofte oni ne bone komprenas, ĉar kvantuma fiziko estas malfacilega temo. Ĉu tio estiĝos la daŭrigaĵo de la geometria kreskado de la integra cirkvita kalkulpovo (la fama Moora leĝo)? Ĉu oni vere vidos tiujn "kvantumajn komputilojn", kaj ĉe la retkafejo kaj ĉe la lernejo, aŭ estas tio nur scientista revo? Nuntempe (2006), oni ne trovas (en esperanto) apenaŭ informon pri kvantumkomputiko, je la kialo de ĉi tiu vikilibreto.

Kio? Kia? (kaj kio ne?)

Kio estas kvantuma mekaniko?

La kvantuma mekaniko (ankaŭ kvantuma fiziko) estas scienco, kiu priskribas la fiziko de malgrandegaj sistemoj: klazika elektromagnetismo kaj Newtona [njutona] mekaniko malbone priskribas atomajn kaj subatomajn sistemojn (oni kutime ekvidas kvantumajn efikojn en sistemoj kun malpli ol 1000 atomoj). Ĝi priskribas la stato de sistemo (kvantstato) pere de ondfunkcio kiu enhavas la informo pri ĉiuj observeblaj ecoj (nomitaj observeblaĵojn).

Kio kaj kia estas kvantumkomputiko?

Kvantumkomputiko estas komputiko, kiu bazas sur kvantummeĥaniko (kaj ne sur klasika meĥaniko). Kial iuj kvantumaj efikoj ne havas klasikajn similaĵojn, oni povas manipuli informo novmainere, kaj tiel aperigas nova informa teorio.

Ekzemploj el la kvantumaj efikoj:

• kvantuma stata superpozicio (kvantuma sistemo povas ekzisti samtempe kiel kelkaj malsamaj kvantumaj statoj)
• kvantuma impliko (kelkaj malproksimaj kvantumaj sistemoj, kiu estis proksimaj, povas esti implikitaj, tiel, ke mezuri unu el ili nuligas la statan superpozion el la aliaj)

Kio estas kvantumbito?

Kvantumtbito estas laŭvole manipuleble dustata kvantuma sistemo. Kvantumtbiton estas uzata kiel unuo en la kvantuma informa teorio. Do, ĝi estas iel kvantuma fizika analogo por bito. Oni diras, ke dustata kvantuma sistemo enhavas unu kvantumbiton da informo.

Kvantuma stata superpozicio kaj kvantuma implikeco multe malsamigas kvantumbiton el regula bito. Antaŭ la kvantuma mezuro, grupo da kvantumbitoj enhavas multege pli da informo ol samnombra grupo de bitoj. La mezurago nuligas la statan superpozicion kaj la kvantuman implikecon. Do, kvantumbitoj estas pli bona ol bitoj ne por enhavi informon, sed nur por ĝin trakti.

Kvantumkomputiko ne estas...

• sama, jam konita, klasika komputiko (kompreneble), sed ankaŭ ne...
• molekula komputiko: eblos uzi molekulojn (kia nanotuboj) kiel etaj komputileroj por klasika komputiko (bitoj kaj ne kvantbitoj, neniu stata superpozicio ktp)
• DNA-a komputiko: eblas (aŭ eblos!), plenumi simplajn komputikojn DNA-e (DeoksiriboNuklea Acido). Oni povas ludi kun polimeraza ĉen-reakcio, mem-replikiĝo de DNA kaj kun plu biologio-laborejaj teknikoj, kaj tiel efiki klasika (sed multegajprocezilaj) komputiko. Tio ne estas Kvantumkomputiko, ĉar oni ne uzas kvantumefikojn.
• kvantuma ĉifrado: eblas uzi kvantumaj efikoj por nova kaj tre bona ĉifrado. Fakte, tio jam ekzistas nuntempe! Tio estas kvantuma informa teorio, kvantumfiziko kaj tre bona tekniko, sed, kial oni ne komputas, tio ne estas kvantumkomputiko.
• kvantumteleportado: eblas teleporti informaĵojn (nek homojn nek aferojn, nune!). Kiel ĉifrado, ankaŭ tio ne estas kvantumkomputiko.

Ĉu?

Ĉu kvantumkomputiko tute eblas?

Kvantuma komputiko ne estas sciencfikcio... sed ankoraŭ ankaŭ ne estas ekzistanta, praktika tekniko. Antaŭ kelkaj jaroj, la eraroj dum longaj kvantumaj komputadoj ŝajnis nesupereblan malhelpaĵon. Vere, ne eblas korekti la kvantumajn komputerarojn same kiel en la klazika komputado, kaj tio estas granda malfaciligo. Tamen, oni montris ke la kvantuma erarkorektado eblas, almenaŭ teorie, laŭvolan longan komputadon. La nuraj kondiĉoj: unue, oni bezonos pli da kvantbitoj por la sama komputado, kaj due, la eraroj (ĝenerale kaj ankaŭ dum la erarkorektado) devas esti malpli grandaj ol ion limon. Komence, oni kalkulis tiun limon kiel $10^{-4}$, sed nun iuj diras, ke ĝi povas eĉ esti $10^{-2}$.

Do, nuntempe, oni pensas ke, laŭ la konitaj fizikaj leĝoj, nenio malebligas ĝeneralan kvantumkomputikon, sed praktike ĝi ankoraŭ estas grandega ingenia kaj scienca defio. Laŭvole, sufiĉe bone kaj sufiĉe longe kontroli la kvantuman staton de iu sistemo, kiu ankaŭ estas sufiĉe granda por efiki utilan komputikon estas ege malfacila tasko.

Kial?

Kial provi kvantumkomputi?

Eĉ se oni neniam atingus kvantumkumputikon, estus interesega ĝin studi: la kvantuma informo teorio eblas antaŭaĵon al la kvantuma fiziko. Krome, se -kiel supre skribite- kvantumkomputiko eblos, ĝi ebligos al ni novan informprocezo-antaŭenegon.

Kiom?

Kiom rapida estos kvantumkomputiko?

Kvantumkomputiko ne estos necese "pli rapida", kaj ankaŭ ne "pli malrapida" ol konata komputiko. Sed per kvantumkomputiko, kalkaj problemoj havos malsama komplekseca klaso. Tiel, se ni havus ĝenerala kvantumkomputilo, almenaŭ por kelkaj problemoj, ĝi estus la plej rapida komputilo.

Nuntempe, la plei konata algoritmoj kiu estas malpli kompleksa kvantike estas:

• Shor-a algoritmo
• Grover-a algoritmo
• Kvant-Fourier-transformado

Kiel?

Kiel ni kvantumkomputikos?

Por konstrui kvantumkomputilo, oni bezonas la nomitaj "kvin De-Vincenzo-punktoj":

1. kvantumbitoj, kiu povas esti facile legita
2. kvantumbitoj, kiu povas esti initiati laŭvole
3. Turing-kompleta kvantpordaro
4. kvantumpordoj, kiu estas pli rapida ol senkohereca tempo (malfacila!)
5. skalebla sistemo por pliigi la nombron de kvantumbitoj (la plei malfacila!)

Kiu?

Kiu el la nunaj proponoj estas la plej ebla?

Laŭ la baloteto ĉe Qubitnews (Kvantbitnovaĵojn), la plej amitaj kvantumbitoj estas "ion trapped in vacuum" (iono enkaptita en vido), "quantum dot on surface" (kvantumpunto sur platejo) kaj "SQUID" (Ilo por Superkonduktiva Kvantuma Indukto, ISKI).

Spectroskopo por Nuklea Magneta Resonanco

Pli serioze, ekzistas kelkaj ebloj kun malsamaj ecoj:

• enkaptitaj ionoj: Enkaptitaj, malvarmigitaj ionoj estas uzataj kiel kvantumbitoj. Laseroj estas uzataj por efekti logikajn kvantumpordojn. Oni povus irigi la kvantumbitojn sen lin senkoherentigi. Nuntempe, una el la plej eblaj.
• kvantumaj punktoj: Tre generala sistemo: kvantuma punkto povas esti enkaptita elektrono, spinstato en molekulo, aŭ multaj aliaj ebloj. Krome, iel simila al la enkaptitaj ionoj, kaj la duona el la plej eblaj.
• Nuklea Magneta Resonanco: Oni jam uzis NMR kvantumaj efikoj kiel analiza kemia ilo ekde kelkaj jaroj (ne por kvantumkomputi), tial scientistoj havas grandvaloran spertaĵon. Eblis la ĝis nun plej grandan kvantuman komputadon: 15=5*3 laŭ la Shor-algoritmo. Bedaŭrinde, aperas ke ĉi tiu propono ne estas facile pli skalebla.
• Ilo por Superkonduktiva Kvantuma Indukto, aŭ, ĝenerale, Josephson-a efiko: Kiel NMR, ISKI estas ilo multe uzata kaj bone konata, kiu ebligas interesajn kvantumajn efikojn. Ĝis nun, ĝi nur taŭgis por malgrandan kvantuman komputadon.
• topologia kvantuma komputiko: bazita en la kvantuma Hall-a efiko
• kvantumoptika kvantuma komputiko: uzi la kvantumajn ecojn de la fotonoj
• kaj kelkaj plu...

Kiam?

Kiam oni vidos "vere" kvantumkomputilon?

Tio dependas... iuj scientistoj diras (2006-e), ke eble je la 2020 ni vidos iun "praktikan" kvantumkomputilon. Ili parolas pri kvantumkomputiloj, kiujn oni povas uzi por utilaj -sed tre specifaj- komputadoj, ekzemple komputadoj pri kvantuma fiziko. Eble 1000 aŭ eĉ 100 kvantbitoj sufiĉos por kelkaj interesegaj fizikaj komputadoj. La ĝisnuna (2006-e) plej granda kvantumkomputado estis sep kvantumbitoj komputante "15=5*3", je la 2001.

Sed... ĉu kvantumaj personaj komputiloj kaj kvantikaj dokumentoredaktiloj? Ĉu milionoj, duilionoj, triilionoj da kvantumbitoj? Neniu povas antaŭdiri, nuntempe.

Kies aŭ kie?

Kie estas la plej antaŭirita esplorado pri kvantumkomputiko? Kies estos la unua ĝenerala kvantumkomputilo?

Povus esti ĉe IBM. Aŭ ĉe Los Alamos National Labs, aŭ ĉe CalTech, aŭ ĉe Oxford University... aŭ ĉe unu el la multaj universitatoj, kie oni laboras pri kvantuma informa teorio. Verskribi, ne ekzistas nur unu esplorcentro, kiu estas evidente la plej antaŭirita (eble la kialo estas: neniu el ili estas sufiĉe antaŭirita!).

Vortprovizo

Tiuj komputada leksikono, fizika vortaro, matematika vortaro eble estos utilaj.

• Bito aŭ Duumo
  • Kvantumbito
• Algoritmo (redaktu!)
  • Shor-a algoritmo (verku!)
  • Grover-a algoritmo (verku!)
  • Fourier (kaj Kvant-Fourier)-transformado (verku!, kaj redaktu Fourier-a analizo)
• Kvantuma mekaniko (redaktu!), kvantumigo, mekaniko (redaktu!)
  • Ondofunkcio (verku!), propra funkcio, propra valoro
  • Operatoro (verku!)
  • Hamiltona operatoro (verku!)
  • Implikeco (verku!), Hilberta spaco (redaktu!)
  • Kvantuma stato (verku!) kaj stata superpozicio, baza stato, fundostato
  • Kato de Schrödinger (redaktu!)
• Komputa komplekseca teorio
  • Komplekseca klaso (verku!)
    • P malsamas NP (verku!)
    • BQP (verku!)
• Informa teorio
• Nuklea Magneta Resonanco (verku!)

Rettekstoj kaj ligiloj

Anglalingve

• qubit.org: britia centro por kvantumkomputiko, kun multe da informaĵoj
• qwiki kaj Quantiki: vikioj pri kvantkomputiko kaj kvantuma informa scienco

Esperantalingve

• La teorio de kvantumoj kaj la kriptografio (mallonga)
• Esencoj de la kvantummekaniko

Francalingve

• Manipulation optique du spin électronique dans les boîtes quantiques: Esploristoj pri kvantbitoj el la CNRS

Germanalingve

• Quantencomputer.de: por eklerni

Hispanalingve

• Introducciones y tutoriales: por eklerni, kaj por plilerni