Kvantna mineštra
Pozdravljeno poslušalstvo na znanstvenih valovih Radia Študent. Poslušate vajeniško mineštro o kvantnem svetu. Kot vam bo povedala vsaka vešča kuharica, morajo biti vse sestavine v kvantni mineštri ustrezno prepletene, predvsem pa dobro preračunane. V današnjo mineštro bomo zato zamešali dva zanimiva koncepta. Najprej bomo pojasnili kvantno prepletenost delcev. Gre za kvantni pojav, na katerem temeljijo mnoge nove kvantne tehnologije, kot so kvantni senzorji, kvantna komunikacija in kvantno računalništvo. Prav pregledu razvoja kvantnega računalništva pa bomo namenili drugi del oddaje.
Kvantna prepletenost
Današnjo pot torej začenjamo s prepletenostjo. Za razumevanje kvantne prepletenosti moramo sprva razumeti osnove kvantne fizike in kaj besedna zveza kvantni pojav sploh pomeni. Zgodbo začnimo v devetnajstem stoletju, ko so znanstvenice in znanstveniki razvili klasično fiziko do te mere, da so z njo lahko skoraj popolno opisali svet. Že stoletja so poznali zakone Newtonove mehanike, takrat pa so zapisali tudi zakone elektromagnetizma in termodinamike. Vendar so z vse natančnejšimi meritvami opazili, da ta dobro definirana pravila ne veljajo več, če je opazovani sistem zelo majhen, zelo hiter ali oboje hkrati. Kot zelo majhne opisujemo delce v velikosti atoma, zelo hitri pa so delci, ki se premikajo/gibajo skoraj s svetlobno hitrostjo, torej tristo tisoč kilometrov na sekundo.
Na začetku dvajsetega stoletja je Albert Einstein najprej rešil problem hitro gibajočih se delcev, iz česar je nastala posebna in kasneje splošna teorija relativnosti. Teorija relativnosti temelji na dveh postulatih ali predpostavkah, na podlagi katerih lahko pravilno opišemo hitro gibajoči se delec. Prvi postulat teorije je, da imajo fizikalni zakoni enako obliko v vseh nepospešenih sistemih. To pomeni, da nobeno gibanje ni absolutno oziroma da so vsa gibanja relativna med seboj. Drugi postulat pa pravi, da je hitrost svetlobe v vakuumu vedno enaka, ne glede na to, če se svetloba nahaja v premikajočem se sistemu ali ne. Za primer: če tečemo po vlaku, je naša hitrost enaka hitrosti teka plus hitrosti vlaka. Če pa smo na vlaku in prižgemo svetilko, je hitrost svetlobe luči še vedno samo hitrost svetlobe, ne hitrost svetlobe in hitrost vlaka. Takšno obnašanje je povsem v nasprotju z vsakodnevnimi izkušnjami v klasični fiziki. Lahko bi torej povzeli, da so fizikalni sistemi relativni, hitrost svetlobe pa je absolutna.
Nekaj let kasneje so znanstvenice in znanstveniki na podlagi nepričakovanih rezultatov meritev postavili tudi temelje kvantne mehanike, ki uspešno opiše obnašanje malih delcev. Ključne predpostavke kvantne mehanike so povsem nepredstavljive v klasični fiziki, ki opisuje makroskopski svet. Ena takšnih predpostavk je, da sistem v kvantni mehaniki ne more prejeti poljubne količine energije, temveč lahko energijo prejme le po točno določenih količinah, imenovanih kvanti. Za lažje razumevanje si predstavljajmo, da jemo kruh z maslom in medom za zajtrk. Iz vsakodnevnih izkušenj vemo, da bomo od kruha prejeli toliko energije, kolikor ga bomo pojedli. Če bi se skrčili na nivo elektrona in delovali po principih kvantne fizike, bi dobili energijo od kruha samo, če bi ga pojedli točno določeno količino, recimo eno ali dve celi rezini. Če ne bi pojedli celih rezin, temveč samo polovico ali četrtino, ne bi prejeli nobene energije.
Druga presenetljiva značilnost kvantne mehanike je dvojna narava delcev. To pomeni, da se zabriše razlika med delci in valovanjem – delci se obnašajo kot valovanje in valovanje kot delci. Tudi to je v klasičnem svetu popolnoma nepredstavljivo, saj nam je razlikovanje med elektromagnetnim valovanjem in objekti z maso nekaj povsem naravnega. Zadnja, še najbolj presenetljiva predpostavka pa je, da v kvantni mehaniki ne moremo natančno izmeriti fizikalnih lastnosti sistema, temveč lahko napovemo samo verjetnosti izidov meritev. To pomeni, da lahko napovemo verjetnost za to, kje se bo delec nahajal in kako hiter bo, ne moremo pa natančno napovedati njegovega položaja v času, kot smo navajeni iz klasične fizike. Natančneje kot lahko napovemo hitrost, manj natančni bomo pri napovedi položaja in obratno. Povzamemo lahko, da je kvantni pojav pojav v kontekstu malih delcev, ki upoštevajo ta načela.
V današnji oddaji se bomo posebej posvetili kvantni prepletenosti. Kvantna prepletenost je kvantni pojav – to pomeni, da jo uporabljamo v kontekstu malih delcev, deluje pa po načelih kvantne mehanike. Prepletenost po zelo enostavni definiciji pomeni, da sta dva na videz nepovezana ali oddaljena delca povezana v svojih lastnostih. Posebej zanimiva je zato, ker na prepletenosti temelji mnogo novih kvantnih tehnologij. S kvantno prepletenostjo se ukvarjajo tudi raziskovalke in raziskovalci na Fakulteti za matematiko in fiziko, ki so lani izvedli prvo javno demonstracijo pojava v Sloveniji izven laboratorijskih pogojev.
O kvantni prepletenosti smo se pogovarjali z doktorico Laro Ulčakar, raziskovalko v laboratoriju za kvantno optiko. Za začetek moramo razumeti, kaj pomeni, da sta delca prepletena. V kvantni mehaniki imajo delci različna kvantna stanja, s katerimi opišemo njihove lastnosti – primer kvantnega stanja je spin delca. Pri kvantni prepletenosti govorimo o prepletenosti teh stanj, kot obrazloži doktorica Ulčakar.
Poglejmo si kvantno prepletenost na primeru nestabilnega atoma v reaktorju jedrske elektrarne. Atom je nestabilen in bo razpadel na dva lažja atoma. Dva atoma, ki nastaneta v jedrski cepitvi, bosta prepletena, saj se morajo ohraniti nekatere osnovne fizikalne lastnosti. Ena od teh lastnosti je magnetni moment in z njim povezan spin. Predstavljamo si lahko, da so vsi atomi magnetki. Če ima izvorni nerazpadli atom magnetni spin 0, potem se morata tudi spina hčerinskih atomov sešteti v 0. Dokler njunih stanj ne izmerimo, pa ne moremo vedeti, kateri spin imata, zato rečemo, da sta v kvantnem prepletenem stanju. Z meritvijo le enega od dveh spinov lahko torej določimo spina obeh produktov razpada.
Meritve kvantne prepletenosti izvajajo tudi na Fakulteti za matematiko in fiziko. Lani so eksperiment v knjižnici fakultete celo javno demonstrirali. Doktorica Ulčakar opiše eksperiment, ki so ga izvedli.
V laboratoriju so torej merili polarizacijo fotonov in tako pokazali, da sta bila delca na začetku prepletena. Zakaj so prepleteni delci tako zanimivi, pa se pokaže šele pri meritvi. Če se še spomnimo primera s spinom atoma, ki razpade na manjša delca, sta njuna spina ravno nasprotna. Če pomerimo enega, takoj definiramo spin drugega. Prav ta koreliranost meritve je posebnost kvantne mehanike, ki je v klasični fiziki nimamo, saj meritev enega prepletenega delca takoj vpliva na stanje drugega prepletenega delca.
Ko pomerimo prepleteni delec, v trenutku vplivamo na njegov prepleteni par daleč stran, zato se morda zdi, da se informacija širi hitreje od hitrosti svetlobe. To je v nasprotju s posebno teorijo relativnosti, zato je Einstein pojav imenoval kar »srhljivo delovanje na daljavo«. A kot razloži doktorica Ulčakar, temu ni tako, ker z meritvijo enega delca iz para ne prenesemo informacije na drugega, saj stanji obeh delcev pred meritvijo nista določeni. To pomeni, da bo rezultat meritve prvega delca popolnoma naključen, meritev drugega delca pa ravno obratna. Nobena informacija se ne prenese, saj že v začetku nobene informacije ni bilo. Po besedah doktorice Ulčakar je kvantna prepletenost temelj novih kvantnih tehnologij.
Mnoge zanimive in perspektivne tehnologije torej temeljijo na kvantni prepletenosti, ta pa izkorišča lastnost prepletenih delcev, pri katerih z meritvijo enega delca dobimo naključno stanje njegovega para. V nadaljevanju bomo bolje spoznali eno izmed kvantnih tehnologij, kvantno računalništvo. Kako deluje in kako hiter ali počasen je napredek v razvoju tehnologije v zadnjih letih po odmoru na frekvenci, ki zaniha 89,3-milijonkrat na sekundo.
Pozdravljeni v kvantni mineštri. V prvem delu oddaje ste poslušali prispevek o kvantni prepletenosti, presenetljivem načinu povezanosti delcev na daljavo. Čeprav se zdi, da kvantni svet kljubuje zdravi pameti, so njegovi pojavi preverljivi in merljivi. V drugem delu bomo slišali, kako raziskovalke in raziskovalci te nenavadne lastnosti ne le opazujejo, temveč tudi izrabljajo. Selimo se od kvantne prepletenosti h kvantnemu računalništvu.
Kvantno računalništvo
Kvantno računalništvo je – kot tudi lisica – prav zvita zver. O kvantnih računalnikih slišimo marsikaj – od tega, da bodo s svojo neizmerno zmogljivostjo kmalu zamenjali trenutne računalnike, pa do zatrjevanja, da kvantni računalniki v resnici sploh še ne obstajajo in da bo navdušenje nad njimi kmalu doseglo svoj konec. V oddaji, ki jo poslušate, bomo najprej razložili koncept kvantnega računalništva, nato pa še pojasnili, kateri so glavni problemi, ki jih inženirji in programerji danes rešujejo.
Naša teza v današnji oddaji je naslednja: kvantni računalniki so zanimivi, niso pa vsemogočni. Hkrati pa so v svojem bistvu enostavnejši, kot si mislimo. Da vas v to prepričamo, smo se vajenci pogovarjali z Maticem Petričem, raziskovalcem na področju kvantnega računalništva, ki deluje na inštitutu Fraunhofer FOKUS v Berlinu. Pojasnil nam je, kaj je kvantni računalnik in kako se razlikuje od klasičnega.
Kvantno računalništvo je torej za razliko od klasičnega računalništva osnovano na kubitu, kvantnem bratrancu klasičnega bita. Kubite lahko razložimo s prispodobo stikala. Predstavljajmo si klasičen bit kot stikalo z ročico, ki je lahko bodisi prižgano bodisi ugasnjeno – ena ali nič. Kubit si prav tako lahko predstavljamo kot stikalo, kjer pa bo vsaka vmesna lega ročice med prižganim in ugasnjenim predstavljala svoje stanje. Kot da je priklopljen na luč, ki jo lahko poljubno zatemnimo. Dodajmo, da je resnica še nekoliko kompleksnejša in da bi bilo bolj natančno kubit gledati kot ročico, ki se giblje v tridimenzionalnem prostoru oziroma po površini krogle.
Druga pomembna razlika s klasičnimi računalniki je, da do stanja kubita ne moremo direktno dostopati. Klasični računalniki lahko vselej preberejo bit in vidijo, ali je ta nič ali ena. S kubitom je zgodba drugačna. Ko kubit, ki se nahaja nekje vmes med stanjem nič in ena, izmerimo, njegovo stanje nemudoma propade v stanje nič ali ena. Kvantno stanje kubita je torej ob meritvi izgubljeno in tudi vsaka nadaljnja meritev bo enaka kot prva. Kje se kubit nahaja, narekuje verjetnost, s katero bo njegovo stanje propadlo v nič ali ena. Ker je kvantno stanje vselej verjetnostne narave, so takšni tudi kvantni računalniki, zato lahko kvantni program vrne različna odgovora, če ga izvedemo dvakrat zaporedoma. Če povzamemo, bi lahko rekli, da klasični računalniki računajo z vrednostmi bitov, medtem ko kvantni računalniki računajo z verjetnostmi kubitov. Prav to je razlog, da kvantno računalništvo zahteva čisto drugačne pristope k pisanju programov.
Verjetnost, da kvantni program vrne pravilen odgovor, lahko obrnemo v svoj prid s previdno uporabo kvantnih vrat. Kvantna vrata so matematične operacije, ki si jih lahko predstavljamo povsem geometrijsko. Če smo rekli, da kubit živi na krogli oziroma da lahko njegovo stanje opišemo v treh dimenzijah, ga lahko kvantna vrata na primer zavrtijo okoli navpične osi za 90 stopinj, ali pa ga prezrcalijo preko ravnine. S premišljenim zaporedjem takšnih vrat v kvantnih algoritmih ter uporabo kvantnih pojavov, kot sta interferenca in prepletenost, lahko algoritem okrepi verjetnost pravilnega rezultata in oslabi verjetnost napačnega. Matica Petriča smo vprašali, ali bodo kvantni računalniki zamenjali klasične.
Petrič kljub temu zatrjuje, da kvantni računalniki ne bodo služili le vdiranju v našo zasebnost. Kvantni računalniki bodo imeli pomembno vlogo pri simulacijah kvantnih sistemov, kot so molekule, materiali in kompleksni pojavi. Kvantni računalnik lahko takšne sisteme simulira neposredno, z uporabo lastnih kubitov, ki se vedejo analogno fizikalnim delcem, ki jih želimo opisati.
Poleg tega se kvantni algoritmi kažejo kot potencialno uporabni pri določenih optimizacijskih problemih in pri reševanju specifičnih vrst dinamičnih sistemov. Banka JP Morgan na primer investira v lastni oddelek kvantnega računalništva. Ta oddelek se ukvarja z algoritmi za modeliranje tveganja, optimizacijo in hitro generiranje testnih vzorcev. Marca leta 2025 so denimo razvili algoritem za generacijo dokazljivo naključnih števil, ki ga je moč izvajati na današnjih kvantnih računalnikih. Nasprotno pa klasični računalniki dokazano ne morejo generirati resnično naključnih števil.
Ob vsem, kar smo slišali do sedaj, ne smemo pozabiti na ključno dejstvo: kvantni računalnik ni miselni eksperiment, temveč fizična naprava. Tako kot je v klasičnem računalniku bit pravzaprav vezje, skozi katerega tok teče ali ne, mora biti tudi vsak kubit fizično uresničen in to fizično uresničitev v kvantnem stanju ohranjati dovolj dolgo, da lahko z njim sploh računamo. Kako torej ustvarimo kubit? Pojasni Petrič.
Obstaja torej veliko pristopov k realizaciji kubitov, vsak pa ima svoje prednosti in slabosti. A tudi, če kubit uspemo ustvariti, s tem težav še zdaleč ni konec. Kvantna stanja so izjemno občutljiva in že najmanjši vpliv okolice lahko povzroči napake v računanju. V klasičnem računalništvu lahko napake pogosto preprosto zaznamo in popravimo, pri kvantnih sistemih pa je to bistveno težje, saj meritev sama po sebi uniči kvantno stanje. Kako se torej razvijalci kvantnih računalnikov spopadajo z inherentno nestabilnostjo kvantnih stanj?
Slišali smo torej, da za en logični kubit potrebujemo veliko število fizičnih kubitov, ki skupaj tvorijo zaščiteno kvantno stanje. Trenutno najboljši kvantni računalniki premorejo okoli tisoč kubitov. Večina obetavnih kvantnih algoritmov za delovanje potrebuje bistveno več kubitov. Ravno s tem problemom se ukvarja področje, ki mu pravimo ocena kvantnih sredstev. Besedna zveza kvantna sredstva se nanaša na sredstva, ki jih kvantni algoritem potrebuje. To je število kubitov in logičnih vrat ter globina vezja oziroma število vrat, ki jih uporabimo ena za drugo.
Ocenjevanje kvantnih sredstev se torej ukvarja z realističnimi pogoji, pod katerimi bi kvantni program lahko izvedli. Med drugim ocenjuje, kje v obstoječih programih so sredstva nesmiselno porabljena in kako prepisati algoritme, da bodo manj potratni.
Kvantno računalništvo se danes tako nahaja nekje vmes – med obetavno teorijo in trmasto fizično realnostjo. Ne gre več za vprašanje, ali kvantni računalniki obstajajo, temveč za vprašanje, kaj z njimi lahko zanesljivo in smiselno naredimo. Glavne omejitve so fizične. Težave pri ustvarjanju kubitov in občutljivost njihovih kvantnih stanj. Razvoj področja zato poteka počasi, korak za korakom, s poudarkom na stabilnosti, popravljanju napak in realnih ocenah potrebnih virov. Kvantni računalniki nič kaj kmalu ne bodo orodje vsakdanje rabe, kljub temu pa močno spreminjajo način, na katerega razmišljamo o računanju.
Smo pri koncu današnje mineštre. Najprej smo v lonec dodali kvantno prepletenost – enega najbolj presenetljivih kvantnih pojavov in odličen primer, kako drugačen je svet na mikro ravni. Nato smo počasi vmešali še kvantno računalništvo, ambiciozen primer uporabe kvantnih lastnosti za nov način računanja. Od današnje mineštre odnesite dve stvari. Prvič, kvantni pojavi niso čarovnija, ampak merljiva in preverjena lastnost našega vesolja. Drugič, njihova uporaba za namene novih tehnologij je dolgotrajen in zahteven proces, poln omejitev in kompromisov. Kvantna mineštra torej še zdaleč ni pripravljena jed, potrebovala bo še precej počasnega vrenja in previdnega mešanja.
Mineštro sta skuhala vajenca Staša in Jaka.
Mentorirala in uredila sta Oskar in LukaS.
Lektorirala je Tina.
Tehniciral je tehnik.
Brali sva Živa in Premica.
V današnji oddaji sta bili kot glasbena podlaga uporabljeni naslednji skladbi:
- 1st Contact – Unbiased View (vir: Free Music Archive; licenca: CC BY 4.0)
- 1st Contact - Beware of the Cow (vir: Free Music Archive; licenca: CC BY 4.0).
Dodaj komentar
Komentiraj