Väčšinu našej histórie, ľudská technológia pozostávala
z našich mozgov, ohňa a ostrých nástrojov.
Kým sa z ohňa a ostrý nástrojov stali elektrárne a jadrové zbrane,
najväčší pokrok zaznamenali naše mozgy.
Od 60tich rokov, sila našich mozgových počítačov rastie exponenciálne,
čím umožňuje počítačom byť zároveň menšími a výkonnejšími naraz.
Ale tento proces sa chystá naraziť na fyzikálne limity.
Počítačové súčiastky začínajú dosahovať veľkosť atómu.
Na to, aby sme pochopili prečo je to problém je nutné si ujasniť nejaké základy.
Počítač je vytvorený z veľmi jednoduchých komponentov vykonávajúcich veľmi jendouché veci,
reprezentovaním dát, spôsobmi ich spracovania a kontrolným mechanizmom.
Počítačové čipy obsahujú moduly,
ktoré obsahujú logické brány, ktoré obsahujú tranzistory.
Tranzistor je najjednoduchšia forma spracovania dát v počítači,
jednoducho, preínač, ktorý vie buď otvoriť alebo zablokovať
cestu prechádzajúcim informáciám.
Táto informácia je tvorení bitmi, ktoré môžu byť nastavené na 0 alebo 1.
Kombinácie viacerých bitov sa používajú na reprezentáciu zložitejších informácií.
Tranzistori sa kombinujú, aby vytvárali logické brány, ktoré stále robia veľmi jednduché veci.
Napríklad AND brána posiela na výstup 1, ak sú VŠETKY jeho vstupy 1
inak na výstup pošle 0.
Nakoniec kombinácie logických brán tvoria významné moduly,
napríklad spočítavanie dvoch čísel.
Keď už vieme spočítavať, tak vieme aj násobiť, a ak vieme násobiť,
tak môžeme robiť v podstate hocičo.
Keďže všetky základné operácie sú doslova jednoduchšie ako prvácka matematika,
môžeme si predstaviť počítač ako skupinu sedem-ročných detí
odpovedajúcich na základné matematické operácie.
Dosť veľká skupina takýchto detí môže vypočítať čokoľvek od astrofyziky až po Zeusa.
Avšak, s časťami menšími a menšími,
kvantová fyzika robí veci zložitejše.
V skratke, tranzistor je len elektrický prepínač.
Elektrika sú pohybujúce sa elektróny z jedného miesta na druhé,
takže prepínač je priechod, ktorý môže blokovať elektróny pohybujúce sa jedným smerom.
Dnes je typická veľkosť tranzistoru 14nm,
čo je približne 8x menej ako priemer vírusu HIV
a 500x menej ako červená krvinka.
Ako sa tranzistory zmenšujú až na veľkosť len pár atómov,
elektróny sa môžu preniesť na druhú stranu blokovaného priechodu
pomocou procesu zvaného kvantové tunelovanie.
V kvantovej ríši, fyzika pracuje trochu inak
predvídateľne ako sme zvyknutý
a tradičné počítače prestanú dávať zmysel.
Blížime k reálnej fyzickej bariére pre náš technologický vývoj.
Aby sme vyriešili tento problém, vedci sa pokúšajú
použiť nezvyčajné kvantové vlastnosti v náš prospech
tým, že vyrábajú kvantové počítače.
V bežných počítačoch, sú najmenšou jednotkou informácie bity.
Kvantové počítače používajú kubity [qubits], ktoré taktiež môžu nadobudnúť jednu z dvoch hodnôt.
Kubit môže byť jeden z dvoj-úrovňového kvantového systému,
ako je rotácia [spin] v magnetickom poli alebo samotný fotón.
0 a 1 sú možné stavy tohoto systému,
ako horizontálna alebo vertikálna polarizácia fotónu.
V kvantovom svete sa kubit nemusí nechádzať v jednom z dvoch stavov.
Môže byť v ľubovoľných pomeroch v oboch stavoch naraz.
To sa nazýva superpozícia.
Ale hneď ako budete testovať jeho hodnotu, napríklad pošlete fotón cez filter,
musí sa rozhodnúť byť polarizovaný buď vertikálne alebo horizontálne.
Takže, pokým je nepozorovaný, kubit je v superpozícii pravdepodobností
pre 0 alebo 1, a nevieme predpovedať ktorý to bude.
Ale v okamihu ako ho odmeriame, spadne do jedného z určitých stavov.
Superpozícia mení hru.
4 klasické bity môžu byť v jednej z dvoch na štvrtú
rôznych kombinácii v jednom čase.
Spolu to je 16 možných kombinácií, z ktorých môžeme použiť len jednu.
Avšak, 4 kubity v superpozícii
môžu byť v každej z tých 16 kombinácií naraz.
Toto číslo rastie exponenciálne s každým ďalším kubitom.
20 kubitov môže naraz ukladať paralelne až milión hodnôt.
Naozaj zvláštna a nezvyčajná vlastnosť, ktorú môžu mať kubity
je PREPLETENIE, úzke spojenie, ktoré spôsobuje, že každý z kubitov
reaguje na zmenu stavu ďalšieho kubitu okamžite,
nezávisle na ich vzájomnej vzdialenosti.
To znamená, že meraním len jedného prepleteného kubitu,
môžeme priamo odvodiť vlastnosti jeho partnera bez toho aby sme ho museli zmerať.
Manipulácia kubitmi je ďalší hlavolam.
Bežná logická brána dostane jednoduchú množinu vstupov
a vyprodukuje konečný výstup.
Kvantová brána manipuluje so vstupom superpozícií
zrotuje možnosti a vyprodukuje ďalšiu superpozíciu na výstupe.
Takže kvantový počítač nastaví nejaké kubity, aplikuje kvantové brány aby ich preplietla,
zmanipuluje možnosti a nakoniec odmeria výstup,
rútiac superpozície do aktuálnej postupnosti núl a jednotiek.
Čo to znamená je, že dostaneme celú postupnosť výpočtov,
ktoré sú možné s daným nastavením, všetky získané v tom istom čase.
Nakoniec, môžeme odmerať len jeden z výsledkov,
a len ten bude pravdepodobne ten, ktorý chceme,
takže ho budeme musieť skontrlovať dva-krát a skúsiť znova.
Ale rozumným využívaním superpozícií a prepojení
to môže byť exponenciálne efektívnejšie
než ako by to bolo možné na klasickom počítači.
Takže, pokiaľ kvantové počítače pravdepodobne nenahradia naše domáce počítače,
v niektorých oblastiah sú oveľa ľepšie.
Jedna z oblastí je vyhľadávanie v databázach.
Vyhľadať niečo v databáze,
znamená pre bežný počítač otestovať každý jeden záznam.
Kvantové algoritmy potrebujú len odmocninu z toho času,
čo pre veľké databázy znamená obrovský rozdiel.
Najpopulárnejším využitím kvantových počítačov je ruinovanie IT bezpečnosti.
Práve teraz, vaš prehľadávanie, emaily a bankové dáta
sú zabezpečené šifrovaným systémom, v ktorom dáte každému
verejný kľúč na zakódovanie správy, ktorú viete dekódovať len vy.
Problém je, že tento verejný kľúč môže byť použitý
na vypočítanie vašeho súkromného kľúča.
Naštastie, vykonávanie nevyhnutnej matematiky na bežnom počítači
by trvalo doslova roky pokusov a omylov.
Ale kvantový počítač s exponenciálnym zrýchlením
by to zvládol za cvhílku.
Ďalším naozaj vzrušujúcim využitím sú simulácie.
Simulácie kvantového sveta sú veľmi náročné na zdroje,
a dokonca pri väčších štruktúrach, ako napríklad molekulách
často chýba presnosť.
Takže prečo nezačať simulovať kvantovú fyziku s naozajstnou kvantovou fyzikou?
Kvantové simulácie môžu poskytnúť nové pohľady na proteíny,
ktoré môžu priniesť revolúciu v medicíne.
Momentálne však netušíme či kvantové počítače budú
len veľmi špeciálny nástroj alebo veľká revolúcia pre ľudstvo.
Nemáme potuchy kde sa nachádzajú limity technológie
a je len jeden spôsob ako to zistiť!
Toto video je podporované Austrálskou Akadémiou Vied,
ktorá propaguje a podporuje napredovanie vo vede.
Naučte sa viac o danej téme a podobných na
www.nova.org.au
Bolo skvelé pracovať s nimi, takže skočte pozrieť na ich stránku!
Naše videá sú taktiež tvorené vašou podporou na Patreon.com.
Ak máte chuť nás podporiť a stať sa súčasťou Kurzgesagt armády,
skočte pozrieť na našu stánku Patreon!