களஞ்சியம் – 7: குவாண்டக்கணினி – 3

ஏன் குவாண்டக்கணினி?

குவாண்டக்கணினியானது, சாதாரணக் கணினியினும் வலிமையானதாக இருக்கிறது. அதாவது, சேமிக்கப்பட்டத் தரவுகளைப் பாதுகாப்பாக வைப்பதிலும் சரி, அதேநேரம் வேகத்திலும் சரி, இது தற்பொழுதுள்ளக் கணினிகளையும் அதிவேகக் கணினிகளையும் விட வலிமையானதாக அமையும் என்றும் நம்பப்படுகிறது. கோட்பாட்டளவில், ஊட்டர்சின் (William Wootters) படியெடுக்கவியலாத் தேற்றமும் (Quantum no-cloning theorem), பதி (Arun Kumar Pati)-ப்ரௌன்சுடைனின் (Samuel Braunstein) அழிக்கவியலாத்தேற்றமும் (Quantum no-deletion theorem) குவாண்டக்கணினியில் சேமிக்கப்பட்டத் தரவுகளை, அத்தரவுகளை உருவாக்கியவரன்றி, ஏனையோரால், படியெடுக்கவோ, அழிக்கவோ முடியாது எனக் குறிப்பிடுகிறது. அதாவது, ஒரு சாதாரணக் கணினியில் யார் வேண்டுமானாலும் ஒரு கோப்பை, பலபடிகள் எடுக்கமுடியும், (மறைத்து எழுதப்பட்டிருந்தாலும்), அதே போல் உருவாக்கியத் தரவையும் யார்வேண்டுமானாலும் அழிக்கவும் முடியும். ஆனால், இவையெல்லாம் குவாண்டக்கணினியில் சாத்தியமில்லை.

இரண்டாவது, குவாண்டக்கணினிகளின் ஏரணக் கதவங்கள்/logical gates மீள்மைத்தன்மை (reversible) கொண்டவை. அதாவது. ஒரு கதவத்தில் ஒருமுனையின் வழியாக ஒரு ஏரண இரும இலக்கத்தை உட்புகுத்தினால், வெளிவரும் விடையைத் திரும்பவும், அதே கதவத்தில் மறுவாயின்வழியாக செலுத்தினால், நாம் முன்னர் செலுத்திய இரும இலக்கத்தை முதல்வாயில் கிடைக்கப்பெறுவோம். இது மரபுக்கணினியில் இல்லாத மற்றொரு பண்பு.

குவாண்டக்கணினியின் வேகமானது, பன்மடங்கு அதிகமாக ஆவதற்கு மிக முக்கியக் காரணம், சுரோடிங்கரின் பூனை (Schroedinger’s cat) என்று அழைக்கப்பெறும் குவாண்டவியலின் அடிப்படைப் பிரச்சினைதான். குவாண்டவியலைப் பொருத்தவரை, அதன் தடைகற்களே, வெற்றிக்கானப் படிகளாய் அமைவதைப் பார்த்துவருகிறோம் அல்லவா, அதில் இதுவும் ஒன்று. அதாவது குவாண்ட நிலைகள் ஒன்றன்மேல் ஒன்றாய் மேற்படிதலே, (superposition of quantum states) குவாண்டவியலின் பூனையாகக் குறிக்கப்படுகிறது.

அதாவது, சுரோடிங்கரின் ஒரு உள சோதனையில், ஒரு பெட்டியில் பூனையை அடைத்துவைத்துவிட்டு, அப்பெட்டியை துப்பாக்கியால் சுடுகிறோம் என வைத்துக்கொள்வோம், சுட்டப்பின், பூனை உயிருடன் உள்ளதா அல்லது இல்லையா என்பதைக் கூறவியலுமா?! ஆம் ஆனால், நிகழ்தகவின் அடிப்படையில் தான் குறிப்பிட முடியும், அதாவது, 50 சதவீதம் உயிருடன் இருக்கலாம், மற்ற 50% இறந்தும் இருக்கலாம் எனக் இருபடிநிலைகள் இருப்பதைவைத்தே சேர்த்து எழுதுவோம். இம்முறை மேற்படிதல், அல்லது மேற்பொருந்துதல் என அழைக்கப்படுகிறது. அதாவது இரு வேறுபட்ட ஆரம்பநிலைகளை சேர்த்தே ஆரம்பிப்பதால், ஒரே நேரத்தில், இருவேறு நிலைகளின் கணக்கீடும் ஆரம்பிப்பதால், குவாண்டக்கணினிகள் வேகமாக உள்ளன.

 

Advertisements

களஞ்சியம் – 6: குவாண்டக்கணினி – 2

குவாண்டப்பின்னல்

இதில், 1930களில் சுரோடிங்கர் கணிதமொழியில் அலைச்சார்புகளை வடிக்கமுயன்றபோது, Verschränkung எனும் குவாண்டப்பின்னலைக் கண்டறிந்தார், அதாவது, இரு குவாண்டத்துகளின் அலைச்சார்புகளை ஒரே கணிதச்சார்பாகக் குறித்தார், அக்கணிதச்சார்பை, இரு தனித்தனியான சார்புகளாக பிரிக்கமுடியாது என்பதையும் கண்டறிந்தார். அதாவது, அவ்வாறு அமையும் இரண்டு அல்லது அதற்குமேற்பட்டத் குவாண்டத்துகள்கள் பிணைக்கப்பட்டத்துகள்கள் எனக் குறிக்கப்படுகின்றன. இந்த பிணைக்கப்பட்டத்துகள்கள் நாம் சாதாரணமாக நினைப்பதுபோல், அருகருகே இருக்கவேண்டிய அவசியமில்லை. அதாவது, இவ்வாறுப் பிணைக்கப்பட்ட இரு துகள்கள், ஒன்று பூமியில் இருந்தால், மற்றொன்று நெப்டியூன் கிரகத்திலோ, அல்லது இப்பிரபஞ்சத்தில் எங்கேயும் கூட பற்பல ஒளியாண்டுகள் தூரத்தைக் கடந்திருக்கலாம்.

1குவாண்டவியலும் ஐன்சுடைனின் உள சோதனையும்

அதிலென்னப் பிரச்சினை?! ஐன்சுடைன் பொதுசார்புக்கொள்கையின் அடிப்படைவிதிகளாக, சில விதிகளை வெளியிட்டிருந்தார், அதில் எந்தவொருப்பொருளும் ஒளியின்வேகத்தைத்தாண்ட முடியாது. அட, ஒளியின் வேகத்திலேயே ஒரு பொருள் செல்கிறது என வைத்துக்கொள்வோம், அப்பொழுதும் அப்பொருளுக்கு அருகில் செல்லும் ஒளி, ஒளியின் திசைவேகத்திலேயே இருக்கும் என சொல்லியிருந்தார்.

ஆக, இதில் பிணைக்கப்பட்டத்துகள்களுக்கும் ஐன்சுடைனின் விதிகளுக்கும் உள்ள சம்பந்தம் என்ன? இந்தப் பிணைக்கப்பட்டத்துகள்களில் ஒரு துகளை தொந்தரவுசெய்தால், மற்றொருக் துகள் இப்பிரபஞ்சத்தில் எங்கிருந்தாலும், அத்துகளும் சேர்ந்து பாதிக்கப்படுவதாக, சுரோடிங்கரின் கோட்பாடு உரைத்தது. இது நம் பகுத்தறிவுக்கு ஒத்துழைக்காததாக இருக்கிறது என்பது ஒருபக்கம் இருந்தாலும். ஐன்சுடைன் விதிகளில் ஒன்றான ஒளியின் திசைவேகத்தில் எதுவும் செல்லவியலாது என்றாலும், ஒரு துகளைப்பாதித்தால், மற்றொருத்துகள் பாதிக்கப்படுவது உடனுக்குடன் என்பது, ஐன்சுடைனின் ஒளியின் திசைவேகத்தினைக் கடக்குமென்பது, அருகாமை தத்துவத்தை உடைப்பதை அவரால் ஒத்துக்கொள்ளமுடியவில்லை, மேலும் பழங்கோட்பாட்டுப்பின்னணியிலேயே இயற்பியல் ஆய்வுகள் நடந்துகொண்டிருந்த காலமது.

இவ்வாதத்தில், ஆல்பர்ட் ஐன்சுடைன் (Albert Einstein), போரிசு பொடொல்ச்கி (Boris Podolosky), நாதன் ரோசன்( Nathan Rosen ) ஒருபக்கமும், போர் ஒருபக்கமுமாக, இயற்கையின் தத்துவத்தை வாதித்தனர். இவ்வாதமே, நவீன அறிவியலின் புதியத்திறப்புகளாக அமைந்தது. உண்மையில் ஐன்சுடைன்பொடொல்ச்கிரோசன் (Einstein-Podolsky-Rosen) வாதத்தின் மூலமாகத் தோற்றமுரணாகக் காணப்பட்ட, இவ்வகை பிணைக்கப்பட்டத்துகள்களே, குவாண்டக்கணினி மற்றும் தொடர்பியலுக்கு அச்சாணியாகியது. தற்காலத்தில் அவ்வகைத்துகள்கள் EPR ஈபிஆர் துகள்கள் என அழைக்கப்படுகிறது. இவ்வகைத்துகள்கள் உருவாக்கும் முறைமையையும் பயன்படுத்தும்முறைமையையும் அறிவோம், ஆனால், அதன் குவாண்டநிலையின் முழுமையான இயக்கநிலையை அறியவில்லை.

குவாண்டவியலின் ஆரம்பக்காலகட்டத்தில் ஒவ்வொரு விஞ்ஞானியும், இம்மாதிரியான ஆய்வுகளால், பற்பல அதிர்ச்சிகளைத் தந்தனர். அவ்வகை அதிர்ச்சிகளைத் தரும் குவாண்டவியல், அக்காலத்தைய அறிவியலுக்கும் தொழில்நுட்பத்துக்கும் பகுத்தறிவுக்கும் ஒவ்வாததனவாக இருந்து வந்தது. 1990களின் ஆரம்பத்தில், சார்லஸ் பென்னட் (Charles Bennett), ஆர்தர் எகர்ட்(Arthur Ekert), பீட்டர் சோர் (Peter Shor), ஆசர் பெரெஸ் (Asher Peres) போன்ற அறிவியலாளர்கள் குவாண்ட பிரத்யக்சம் (quantum teleportation), காரணிகள் கண்டறியும் முறைமையுடன், அடிப்படைக் கட்டுமான முறைமைகளைத் தர ஆரம்பித்திருந்தனர். அதேபோல் ஈபிஆர் துகள் சார்ந்த சோதனைகளை அஸ்பே (Alain Aspect) போன்ற அறிவியலாளர்கள் குவாண்ட ஒளியியற்சோதனைகள் மூலம் நிரூபித்ததும், குவாண்ட சோதனைகள் சார்ந்த நவீன சோதனைகளுக்கு அடித்தளமிட்டது!

அதில் இருந்தே, நாம் முன்னர் பார்த்த விஞ்ஞானிகள், குவாண்டக்கணினிகளின் உறுப்புகளான, குவாண்டக் கதவங்கள் (gates), குவாண்ட நிரல்கள் (programs), படிமுறைகள்(algorithm), அதிலுள்ள இடர்பாடுகள் ஓரியல்தன்மையிழப்பு, ஆற்றலிழப்பு (decoherence, dissipation) என கொஞ்சம் கொஞ்சமாக ஆராய்ந்து, தற்பொழுது, ஐபிஎம், கூகுள் போன்ற நிறுவனங்கள் குவாண்டக்கணினிகளை உருவாக்கியது வரை வளர்ந்து நிற்கிறது. அவை பற்றிய மேலோட்டமான விசயங்களைக் காண்போம்.

களஞ்சியம் – 5: குவாண்டக்கணினி – 1

குவாண்டவியல்

கரும்பொருள்களின் கதிரியக்கத்தன்மையை மரபார்ந்த வெப்ப இயக்கவிதிகளை வைத்து விளக்க முற்பட்டபோது பிறந்ததே குவாண்டவியல். கரும்பொருட்களிலிருந்து வெளிப்பட்ட ஒளிநிறமாலையின் அலைநீளத்தைக் கொண்டு, வெவ்வேறு அறிவியலர்கள் தத்தமது அறிவியல் விதிகளால் விளக்க முயன்றனர். வில்லெம் வீன் (Wilhelm Wien) எனும் ஆத்திரிய இயற்பியலர், முதலில் அதிஅலைநீளத்தில் அதன் வெப்பநிலையைப் பொருத்து நேர்கீழ்விகிதத்தில் உள்ளதைக் கண்டறிந்தார்.

\lambda_{max} \propto \frac{1}{T} ( 1.1)

இராலே பிரபு சேம்சு சீன்சு (William Strutt Rayleigh – James Jeans) விதியை, இரைலியும் சீன்சும் தந்தனர். உயர் அலைநீளத்தில் வெளிவரும் நிறமாலையை இவர்களின் விதி சிறப்பாக வரையறுத்தாலும், சிறிய அலைநீளங்களில்ம் அதாவது அதிக அதிர்வெண்களில், அல்லது அதிக ஆற்றலில் இவர்களின் வாய்ப்பாடு முடிவிலியை யைத் தொடுவதை, புற ஊதாக் கேட்டைவிளைவிப்பதாக இருப்பது, அதாவது சக்தி அதிகமாக வருவதால் பேரழிவை உண்டுபண்ணவேண்டும், ஆனால் ஒரு கரும்பொருளைச் சூடேற்றுவதால் அவ்வவாறு எதுவும் நிகழ்வதில்லை, மேலும் ஆற்றல் அழிவின்மைவிதியை ஒட்டியே இயற்கை இயங்குகிறது. ஆக அவர்களின் விதியும் சரியாகப் பொருந்தவில்லை.

u(\lambda,T) \propto \frac{1}{T^4} ( 1.2)

இவ்வாறு கரும்பொருளில் இருந்து வந்த நிறமாலையானதை, மரபார்ந்த வெப்ப இயக்கவிதிகளால் சரியாக விளக்கமுடியாத போது, மேக்ஸ் பிளாங்க் (Max Planck) எனும் செர்மானிய இயற்பியலாளர், கரும்பொருளில் இருந்து தொடர்நிறமாலையாக அல்லாமல், குறிப்பிட்ட ஆற்றல் பொட்டலங்களாக வருகிறது என நிறமாலையின் தன்மையை மரபல்லாத வேறொரு வகையில் விளக்கினார், இது கரும்பொருளிலிருந்து வரும் வெப்பக்கதிர்வீச்சின் நிறமாலையின் தன்மையினை வெகுவாக விளக்கியதோடு, குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் ஆற்றல் குறிப்பிட்ட அளவினதாகவே வெளிவரும்.

1தோற்றமுரணும், அருகாமைத்தத்துவமும் (nonlocality)

இவ்வாறு ஆரம்பகாலக் கோட்பாடுகளைக்கொண்ட இந்த அறிவியலை பழைய குவாண்டவியல் என்று தற்காலத்தில் அழைக்கிறோம். இதுபோல் சோதனையிலிருந்து கோட்பாட்டுவடிவையெட்ட ஆரம்பித்த குவாண்டவியலானது, சிறிதுசிறிதாக அணுத்துகளியற்பியல், ஒளியியல் என வளர்ச்சியடைந்து, குவாண்டக்கணினிகள் வரையெட்டியிருக்கிறது. இரிச்சர்டு ஃபெயின்மேன் (Richard Feynman), பால் பெனியாப் (Paul Benioff)போன்ற இயற்பியலாளர்கள் குவாண்டக்கணினிகளை உருவாக்க வழிமொழிந்தனர். அதேநேரம், பழைய குவாண்டவியற்கால கட்டத்திலேயே, எர்விந் சுரோடிங்கர்(Erwin Schrödinger), நீல்சு போர் (Niels Bohr), மேக்சு பான் (Max Born), லூயி டு ப்ராய் (Louis de Broglie) , வெர்னர் ஹை/கைசன்பர்க் (Werner Heisenberg) போன்றோர் குவாண்டவியலின் கணிதவடிவத்தையும் தத்துவத்தையும் வெவ்வேறு வழிகளில் பரிந்துரைத்தனர்