Nową ścieżką

Szerokość ścieżki można próbować zmniejszać dalej, stosując różne rodzaje litografii (laserowa, promienie X). Można w ten sposób zejść do poziomu 0,15 czy nawet 0,1 mm. I co dalej? W każdym razie trzeba pomyśleć o tym, co będzie, gdy znajdziemy się w obszarze fenomenów i stanów materii opisywanych prawami mechaniki kwantowej. Nad problemem tym w początkach lat 80. zaczął zastanawiać się amerykański noblista Richard Feynman. Fizyk ten zaproponował wówczas ideę komputera kwantowego. Przez wiele lat pomysł traktowano jako teoretyczną ciekawostkę, ale odkrycia dokonane w ostatnim okresie każą inaczej spojrzeć na tę nową wizję informatyki.

A wszystko zaczęło się na początku XIX w. wraz z eksperymentem Younga ze szczelinami. Jeżeli oświetlamy nieprzezroczystą płytkę z dwoma szczelinami, to powinniśmy się za nią spodziewać również dwóch prążków - śladów pochodzących ze źródła światła. Otóż nie! Mamy bowiem do czynienia z całą paletą ciemnych i jasnych prążków. Ano racja. Było o tym mówione w szkole na fizyce pod hasłem dualizm korpuskularno-falowy, czyli że światło zachowuje się czasem jak fala, a czasem jak cząstki. Czasem, to znaczy kiedy? Powiedzmy, że w zależności od sytuacji, a złośliwie można by dodać, że w zależności od siły wiatru. Ów sceptycyzm ma jednak swoje uzasadnienie.

Istnieje znane ze szkolnej ławy wyjaśnienie doświadczenia, odwołujące się do interferencji dwóch źródeł światła, za jakie można uznać dwie szczeliny. Aby przekonać się, co się dzieje w efekcie nakładania fal (wzmacniania i wygaszania), wystarczy wrzucić dwa kamienie do wody. Jest także wersja mniej tradycyjna, wiążąca się z modelem zaproponowanym przed 30. laty przez Hugha Everetta. Teoria ta powiada, że wielość możliwości w mikroświecie implikuje powstawanie wielu wszechświatów, w których określone zjawiska mogą zachodzić równolegle.

Jeśli więc fotony w omawianym doświadczeniu zachowują się jak cząstki, to model wielu wszechświatów pozwala zrozumieć jak to się dzieje, iż ten sam foton może jednocześnie przelecieć przez dwie szczeliny (dwa wszechświaty!), a to, co obserwujemy za płytką, jest sumą zjawisk zachodzących w różnych wszechświatach, widzianą w jednym, "naszym" wszechświecie. I teraz przechodzimy od mechaniki kwantowej do informatyki. Gdyby skonstruować komputer dokonujący obliczeń równolegle w wielu wszechświatach, zyskalibyśmy narzędzie o sile maszyn wieloprocesorowych. Oczywiście, pod warunkiem że wyniki obliczeń ze wszystkich wszechświatów można by było zaobserwować na końcu w jednym.

Znikający punkt

Do tej pory brzmi to wszystko jak "bajka robotów", lecz za chwilę zajmiemy się informatycznymi konkretami, choć do mechaniki kwantowej i tak jeszcze trzeba będzie wrócić. Klasyczny komputer operuje bitami przyjmującymi dwa stany: 0 lub 1. Komputer kwantowy operuje bitami kwantowymi, czyli qbitami (quantum bit). Qbit może mieć wartość 1 w jednym wszechświecie i być jednocześnie zerem w innym. Świetnie! Czy to oznacza, że 2 qbity, to 4 wartości, a 3 - 8? Dokładnie. Ależ to znana formuła 2n - z jednym istotnym dodatkiem: jednocześnie.

Uzupełnijmy to jeszcze twierdzeniem miło brzmiącym dla ucha każdego matematyka: pamięć komputera kwantowego można interpretować jako 2n-wymiarową przestrzeń Hilberta. No dobrze, ale przecież owe qbity muszą mieć materialną reprezentację. Czy nasz q-komputer to labirynt płytek z fantazyjnie powycinanymi szczelinami, przez które hulają sobie fotony? Raczej powinniśmy sobie go wyobrazić w postaci sieci punktów kwantowych (quantum dot) reprezentujących qbity. Taki punkt może być tzw. pułapką jonową, czyli elektronem uwięzionym w polu elektrycznym.

Jeśli elektron potraktować odpowiednim promieniowaniem laserowym, to będzie on zmieniał swoje stany energetyczne. Powiedzmy, że wyższy poziom energetyczny elektronu traktujemy jako jedynkę, a niższy jako zero. Zmiany częstotliwości światła laserowego powodują "skakanie" elektronu między tymi poziomami. Mamy zatem nasz podstawowy przełącznik do budowy komputera. Ale siła informatyki kwantowej polega także na stosowaniu innej logiki niż w systemach klasycznych. Otóż skrócenie czasu naświetlania elektronu powoduje, że znajdzie się on w stanie "niezdecydowanym", będącym kombinacją dwóch poziomów.

Taka kombinacja (superpozycja) stanów może być interpretowana jako zero i jeden równocześnie, tzn. zgodnie z zasadą istnienia wielu wszechświatów: zero w jednym wszechświecie, a jeden w innym. Mając kwantową negację QNOT (quantum NOT), możemy realizować bardziej złożone funkcje logiczne łącząc qbity w pary itd. Niestety, w tym momencie napotykamy poważne bariery praktyczne:

• elektron może pozostawać w podwyższonym stanie energetycznym ok. jednej mikrosekundy, jeśli zatem "obliczeniowy" impuls lasera trwa np. jedną nanosekundę, czyli 1000 razy mniej, to widać, że liczba operacji na takim qbicie jest ograniczona, gdyż po tym czasie nasza kwantowa pamięć po prostu straci swoją zawartość

• nasz komputer powinien składać się z tysięcy punktów kwantowych, a ich rozmiary są zaledwie tak małe, jak 10 atomów (1 nanometr) - taka technologia dziś po prostu nie istnieje

• na niewielkiej przestrzeni trzeba by umieścić tysiące małych laserów do indywidualnego naświetlania punktów kwantowych albo też skonstruować laser o wielkiej rozdzielczości częstotliwości - na razie nie mamy takich urządzeń.