Fizikos mėgėjai kviečiami išbandyti kvantinio skaičiavimo programą

„Per anksti dar spėlioti ar kvantinis skaičiavimas kada nors taps įprastu dalyku“, – pasakė Kahejus. Pirmo kurso studentams dėstydamas „Įvadą į kvantinį skaičiavimą“, jis moko studentus pasiruošti šiai besivystančiai sričiai. Tam jis yra paruošęs knygą ir internetinę programą.

„Per pastaruosius penkiolika metų labai išaugo kvantinio skaičiavimo teorinė dalis, – pažymėjo jis. – Iš praktinio požiūrio taško, kvantinis skaičiavimas vis dar kūdikystėje“.

Dabartinėje stadijoje kvantinis skaičiavimas turi savo užtarėjus bei priešininkus. Tačiau Kahejus pabrėžia, kad kvantinio skaičiavimo pagrindiniai elementai gali būti studentų pritaikyti naudojant matematinius įrankius, kuriuos studentai įvaldo aukštesniuose kursuose.

„Kvantinis skaičiavimas suteikia labai gyvą ir praktinį kvantinės mechanikos pagrindinių idėjų supratimą, – aiškino Kahejus. – Šios idėjos tampa labai svarbios toliau mums žengiant į nano amžių, kai nanomokslo ir nanotechnologijų stulbinantys pasiekimai tampa kasdienybe“.

Didelis susidomėjimas kvantiniais skaičiavimais prasidėjo praėjusio amžiaus paskutiniojo dešimtmečio viduryje, kai buvo iškelta idėja, kad kvantiniai kompiuteriai gali padėti išspręsti praktines problemas daug efektyviau nei jų skaitmeniniai analogai. Pavyzdžiui, kvantinių kompiuterių pasirodymas sukeltų sumaištį kriptografijoje, kurioje daugelis duomenų kodavimo programų, skirtų saugiam duomenų perdavimui, remiasi idėja, kad sunku atlikti labai daug skaičių dauginimo operacijų su klasikiniais kompiuteriais. Kvantinis skaičiavimas atveria naujus kelius naujiems paieškos algoritmams, nes informacijos srautai pasauliniame tinkle kasdien didėja.

„Kvantinio skaičiavimo teikiama nauda atrodo per daug žadanti, kad būtų galima praleisti tokią galimybę“, – sakė Kahejus.

Norint suprasti kvantinį skaičiavimą, studentams reikia įsisavinti tam tikras specialias idėjas, kurios prasideda kubitu. Kvantinio skaičiavimo galia remiasi kubitų, arba kvantinių bitų, panaudojimu.

Siekdami geriau suprasti kubito idėją ir kvantinių vartų veikimą, Kahejus su keliais studentais per kelerius metus sukūrė programą, pavadintą Blocho Sferos Simuliatoriumi (Bloch Sphere Simulator). Blocho Sferos Simuliatorius paverčia lygtis į matomą atvaizdavimą, kuris leidžia studentams pamatyti, kaip matematika veikia kvantinės mechanikos pasaulyje.

„Daugeliui kvantinio skaičiavimo algoritmų reikia atlikti sudėtingų matricų su dideliais skaičiais daugybą, – pabrėžė Kahejus. – Aš galiu įsivaizduoti kai kurias operacijas, bet netgi turint dvidešimties metų patirtį šioje srityje man yra sunku įsivaizduoti skaičiavimus už tam tikros ribos“.

Kvantiniai kompiuteriai nedirba su klasikiniais dvejetainiais bitais, tai yra nuliais ir vienetais. Tačiau jų darbo laukas yra susijęs su kvantiniais bitais, kurie yra koherentinė nulio ir vieneto superpozicija. Įprastuose kompiuteriuose bitai yra kaip jungtukai, kurie yra arba įjungti (vienetas) arba išjungti (nulis). Kubitas yra daug galingesnis dalykas nei klasikinis bitas. Kubitas gali atitikti vienetą arba nulį, bet jis gali būti ir šių dviejų būsenų superpozicija, tai yra įgyti bet kokią vertę tarp vieneto ir nulio. Kvantinių kompiuterių ypatinga galia ir kyla dėl šios superpozicijos, ypač, kai idėja praplečiama į daugelio kubitų sistemą ir vėliau joms leidžiama sudaryti susietas būsenas.

„Fizikinis kubito realizavimo kelias yra susijęs su atskiro elektrono sukiniu, – paminėjo Kahejus. – Puslaidininkiuose tai buvo realizuota sugaunant atskirą elektroną ar keletą elektronų nanostruktūroje, vadinamoje kvantiniu tašku. Šių kubitų tyrimas ir jų valdymas nuvedė į spintronikos sritį, kuri, kaip manoma, suteiks galimybę kvantinių kompiuterių sukūrimui“.

Kahejus skleidžia jį dominančias kvantinio skaičiavimo ir spintronikos idėjas nuo 2003 metų. Dirbdamas kartu su kolegomis iš įvairių sričių, jis koordinavo įvadinio paskaitų kurso studentams sukūrimą. Paskaitų kursas dėstomas nuo 2004 metų ir kiekvienais metais juo susidomi studentai su labai skirtingais išsilavinimais iš įvairių sričių. Per tą laiką paruošta ir pirmoji knyga.

Blocho Sferos Simuliatorius yra paskaitų kurso ir knygos išdava. Kahejus paminėjo, kad jis paskaitose dažnai aiškindamas studentams įvairias kvantinio skaičiavimo idėjas braižydavo diagramas. Galiausiai jis pasiūlė studentinį projektą, kuris pavertė brėžinius į animacinį paketą. Po kelių tobulinimų, projektai išsivystė į vartotojui draugišką programą, kuri buvo Styveno Šerio (Stephen Shary) magistro darbas.

Šeris stipriai patobulino programos funkcionalumą ir vartotojo aplinką. Galutinis programos variantas pradėtas naudoti praeitų metų žiemą. Ji pasirodė esanti labai naudinga priemonė aiškinant pagrindines kvantinio skaičiavimo idėjas.

„Studentai gali naudoti šią programą namuose, – pabrėžė Kahejus. – Paprastai prašau, kad studentai išspręstų problemą matematiškai, o paskui ją patikrintų naudodami Blocho Sferos Simuliatorių“.

Programa yra prieinama internete. Puslapyje įdiegus skaičiavimo sistemą, matyti, kad kiekvieną mėnesį ja pasinaudoja iki kelių šimtų vartotojų.

„Kuo daugiau žmonių naudos programą, tuo lengviau bus galima patobulinti jos galimybes, – pasakė Kahejus, – kad ji taptų ne tik mokymo, bet ir mokslinio tyrimo priemone“.