Kvantové počítače alebo vzťah fyziky a informatiky
Jedným z cieľov učebníc Fyzika I, II, III, určených nielen fyzikom, ale aj informatikom, je podpora interdisciplinárneho univerzitného vzdelávania špecialistov v týchto vedných odboroch.
Princípy kvantovej fyziky prinášajú do oblasti spracovania a prenosu informácie úplne nové možnosti, ktoré v klasických systémoch nie sú realizovateľné. Často sa to demonštruje na typickom nositeľovi informácie – knihe. Klasická kniha, ktorú bežne poznáme a všeobecne vnímame ako veľmi príjemného spoločníka, je súčasne aj objektom, ktorého vlastnosti a správanie možno opísať zákonmi klasickej fyziky. Okrem iného to znamená, že informáciu, ktorá je v knihe vytlačená, môžu prečítať mnohí čitatelia, obsah knihy sa čítaním nemení, všetci čitatelia majú k dispozícii tú istú informáciu, ktorú môžu kopírovať a šíriť ďalej.
Na kvantovej úrovni je situácia zásadne odlišná. Kvantová kniha je akási kniha kníh; môže byť superpozíciou všetkých možných kníh, tých, čo boli napísané, aj tých, čo ešte len budú napísané. Takáto kniha je nezvyčajná aj tým, že pri čítaní sa mení špecifickým spôsobom tak, že kolabuje do jedného príbehu a čitateľ stráca možnosť prečítať ostatné príbehy v nej obsiahnuté. Navyše je čítaný príbeh určený tým, čo od knihy čitateľ očakáva, čo sa pýta, čo o knihe a príbehu vopred vie; čitateľ teda dotvára konečnú podobu knihy. Zaujímavé je aj to, že čitateľ pri druhom čítaní tej istej kvantovej knihy v nej už môže nájsť iný príbeh. Kvantová kniha má ešte veľa iných, na prvý pohľad bizarných vlastností, medzi inými aj tú, že sa nedá kopírovať.
Vysvetlenie týchto vlastností poskytuje len fyzika. Kvantová fyzika opisuje svet, s ktorým človek nemá žiadnu priamu existenčnú skúsenosť a nemá preto ani vžité pojmy pre opis tohto sveta. A práve neadekvátne prenášanie pojmov klasickej fyziky (ktorých obsah sa formoval na základe interakcie človeka s jeho zmyslovo vnímateľným okolím) na opis kvantových javov vedie často k laickému názoru, že kvantový svet (mikrosvet) je bizarná, virtuálna abstrakcia. Tento chybný záver prekonáme, keď si uvedomíme, že bežné pojmy každodennej skúsenosti nie sú vhodné pre opis dejov na subatómovej úrovni, ktoré sú mimo priameho dosahu našich zmyslov.
Kvantové počítače patria medzi najnovšie odbory informatiky a fyziky. Preniknúť do podstaty ich činnosti znamená vyrovnať sa s pravdepodobnostným charakterom kvantového sveta, v ktorom nie sme vždy schopní predvídať nasledujúce udalosti, akceptovať fakt, že kvantový systém existuje a vyvíja sa v superpozícii stavov, že tieto stavy môžu byť prepletené a že je tu aj problematika súvisiaca s kolapsom kvantového systému pri meraní a jeho dekoherenciou pri vplyve okolia, teda vlastnosti zapríčiňujúce, že vidíme svet bez superpozícií a iných klasicky nevysvetliteľných javov. Kvantový počítač je fyzikálne zariadenie na spracovanie informácií, pri ktorom sa na reprezentáciu hodnôt a štruktúry údajov nevyužívajú klasické obvody, ale vlastnosti a charakteristiky kvantových objektov, napríklad ich spin, energiové úrovne, polarizácia a na vykonávanie operácií s týmito údajmi sa využívajú kvantové procesy, z ktorých medzi najvýznamnejšie patria superpozícia stavov, kvantová interferencia, prepletenosť stavov a koherencia. Hlavná sila kvantových počítačov je v tzv. kvantovom paralelizme, ktorý v istom zmysle umožňuje vykonať naraz veľké množstvo výpočtových operácií. Pre zorientovanie sa v tejto problematike je dôležité aspoň na základnej úrovni sa oboznámiť s kvantovou fyzikou, na ktorú možno nazerať ako na manuál, vysvetľujúci, ako kvantové stavy, kvantové procesy a kvantové meranie umožňujú manipulovať s informáciou.
Nová generácia fyzikov a informatikov sa bude intenzívnejšie ako doteraz zaoberať otázkami, ako sa môžu niektoré základné zákony fyziky využívať na výrazné zlepšenie získavania, prenosu, spracovania, kódovania a uchovania informácií. Táto generácia by sa už preto mala formovať v intelektuálnom prostredí, v ktorom sa stierajú tradičné rozdiely medzi vedeckými disciplínami fyziky a informatiky, vytrácajú sa konvenčné hranice medzi nimi a dôraz sa kladie na ich interdisciplinárny charakter.
Doc. RNDr. Pavol Petrovič, CSc.
