Kompanije kao što su Google, IBM, Microsoft i Amazon imaju svoje projekte kada su u pitanju kvantni računari, ali je ova nova tehnologija i dalje velika nepoznanica za široke narodne mase. Mi smo tu da odgovorimo na najbitnija pitanja.
Šta su kvantni računari i kako rade?
Kvantni računari za svoju osnovu koriste ponašanje najmanjih čestica prirode – atoma, fotona i elektrona. Na ovom nivou, klasični zakoni fizike prestaju da važe i primjenjuju se kvantna pravila. Iako istraživači još uvek u potpunosti ne razumiju sve šta se dešava u kvantnom svijetu, ono što je poznato je da kvantne čestice imaju ogroman potencijal, odnosno mogu da čuvaju i obrađuju velike količine informacija.
Uprošćeno govoreći kvantni računar bi bio sposoban da kontroliše kvantne čestice i iskoristi njihov potencijal. Funkcionalni kvantni računar bi imao mnogo veću računarsku snagu od računara koje danas poznajemo, što bi omogućilo napredak u oblastima u kojima je računarska snaga ključan faktor – klimatske promene, medicina, farmakologija, kompleksne kalkulacije, finansije, logistika…
Kako je Bob Sutor, prvi čovek kompanije IBM za kvantne računare, rekao: Kvantni računari su način emuliranja prirode, kako bi se riješili izuzetno teški problemi.
Kako funkcioniše kvantni računar?
Kvantni računari dolaze u raznim oblicima i formatima, ali svi rade na istom principu: imaju kvantni procesor i kojem su kvantne čestice izolovane, tako da inženjeri mogu njima da manipulišu. Priroda kvantnih čestica, kao i metode koje se koriste za njihovu kontrolu zavise od jednog pristupa kvantnim računarima do drugog.
Neke metode zahtijevaju da se procesori ohlade do ekstremno niskih temperatura, dok drugi omogućavaju igranje sa kvantnim česticama korišćenjem lasera. U svakom slučaju zajednički cilj je najbolje kontrolisanje i korišćenje vrijednosti kvantnih čestica.
Za razliku od klasičnih računara, svaki bit, kao osnova svih računarskih radnji može imati jednu od dvije vrijednosti – jedan ili nula. Razbijanje svih računskih radnji na simplifikovane proračune korišćenjem jedinica i nula omogućava programerima da izvršavaju kompleksne proračune na današnjim računarima. Problem ovakvog pristupa je nefleksibilnost, koja smanjuje efikasnost kod specifičnih zadataka.
Kubiti, osnovni element kvantnih računara
Za razliku od bitova, kvantni računari koriste kubite (qubits), odnosno kvantne bitove, koji su slični, ali i različiti u odnosu na bitove koje mi poznajemo. Kubiti su napravljeni od kvantnih čestica koje se nalaze u prirodi, a njihova najbitnija osobina, koja je najkorisnija za kvantne računare je superpozicija – osobina koja dozvoljava kvantnim česticama da postoje u više stanja u isto vrijeme. Superpozicija se najbolje objašnjava bacanjem novčića. Umesto da budu glava ili pismo, kvantne čestice se ponašaju kao novčić koji se još uvijek vrti.
Kontrolisanjem kvantnih čestica, naučnici mogu da ih napune podacima i kreiraju kubite, a zahvaljujući superpoziciji, jedan kubit ne mora biti jedan ili nula, već može da bude i jedan i nula istovremeno. Ovo je značajno jer kada je potrebno da kvantni računar riješi problem, on može koristiti kubite da odradi nekoliko kalkulacija odjednom, paralelno radeći na nekoliko potencijalnih rješenja.
Problem igle u plastu sijena
Dobar primjer koji ovo ilustruje je igla u plastu sijena. Za razliku od klasičnog računara koji bi morao da pretraži sijeno, slamčicu po slamčicu, dok ne pronađe iglu, kvantni računar bi mogao da pretražuje sve slamke sijena istovremeno, pronalazeći iglu u nekoliko sekundi, umjesto da mu za to treba nekoliko dana.
Šta više, kubiti se mogu fizički povezati zahvaljujući još jednom kvantnom svojstvu zvanom uplitanje. Ovo znači da se sa svakim kubitom dodatim u sistem, sposobnosti računara uvećavaju eksponencijalno, dok je dodavanje bitova u računaru linearno uvećavanje sposobnosti.
Da ovo prevedemo u nešto mjerljivo. Svaki put kada dodamo jedan kubit u kvantni računar, mi dupliramo količinu informacija i sposobnost obrade potrebne za rešavanje problema. Kada stignemo do 275 kubita, možemo obraditi više informacija nego što ima atoma u vidljivom dijelu svemira.
Značaj kvantnih računara
Postoji veliki broj slučajeva u kojima je vrijeme ključni faktor. Ukoliko posjedujemo računare koji mogu mnogo brže da obave potrebne kalkulacije – imaćemo ozbiljan uticaj na različite grane industrije i ozbiljna naučna istraživanja.
Potencijalni dobici kvantnih računara ne mere se uštedom sati i dana, već o mogućnosti da se za nekoliko minuta izračuna ono što današnji superkompjuteri ne mogu da riješe za hiljadu godina. Dobar primjer su modeliranje uragana i razbijanje kriptografskih ključeva koji čuvaju pristup najosetljivijim podacima.
Upotreba kvantnih računara
Kao što programeri danas pišu algoritme koji treba da rješavaju klasični računari, tako će se u budućnosti pisati kvantni algoritmi za rješavanje istih problema. Kvantni sistemi su veoma dobri u rješavanju algoritama za optimizaciju, jer im paralelizam omogućava da brzo identifikuju najbolje rješenje među ponuđenim opcijama. Ovo bi omogućilo veliki napredak u oblastima kao što u administracija lanca nabavke ili upravljanje kompleksnim saobraćajem - na primjer brodovima, kako bi se smanjila razdaljina putovanja.
Algoritmi za kvantne simulacije bi trebali da donesu izuzetne rezultate, jer bi kubiti omogućili istraživačima da obavljaju simulacije i predikcije kompleksnih interakcija između molekula velikih sistema. Ovo bi za posljedicu moglo da ima brža otkrića u oblastima kao što su pronalaženje novih materijala i lijekova.
Naravno, i veštačka inteligencija i mašinsko učenje će dobiti potpuno novu dimenziju, jer će moći da rade i obrađuju mnogo veće količine podataka za mnogo kraće vrijeme. Dodajte tome i potencijal za razbijanje kriptografskih ključeva, što je danas matematički posao koji je pretežak za današnje računare.
Izazovi kvantnih računara
Da bi se kreirali kubiti, koji su suštinski gradivni elementi kvantnih računara, naučnici moraju da pronađu način da manipulišu najmanjim elementima u prirodi. Kako postoji nekoliko različitih teorija kako to može da se ostvari, tako i nekoliko kompanija razvija svoje kvantne procesore.
Jedan od najnaprednijih pristupa sastoji se od superprovodljivih kubita, koji su napravljeni od elektrona i koji formiraju poznate kvantne računare koji izgledaju kao lusteri. I IBM i Google su razvili superprovodljive procesore. Drugi pristup koji postaje sve popularniji je hvatanje jona, koje koriste Honeywell i IonQ. Ovde se kubiti čuvaju u nizu jona koji su „zarobljeni“ u električnim poljima, a onda kontrolisani laserima.
Treći metod moji razvijaju kompanije kao što su Xanadu i PsiQuantum se oslanja na svjetlosne čestice – fotone, da se pomoću njih podaci upisuju i kreiraju kubiti. Kubiti se takođe mogu kreirati od kubita silikonskog okretanja, što je pristup koji koristi Intel, ali su u igri hladni atomi i dijamanti.
Gdje su kvantni računari danas?
Sada se 100 kubita smatra najmodernijim računarom, što je veoma malo za kvantne računare. Da bi kubiti mogli da odrađuju smislene kalkulacije potrebno je da ih ima na hiljade ili čak milione. Trenutno najveći problem danas predstavlja održavanje kubita u njihovom kvantnom stanju. Ovo je kao da pokušavate da održite da se novčić vrti, a da ne padne ni na jednu stranu, samo mnogo teže.
Da bi se ovo postiglo kubiti se moraju izolovati od bilo kakvih spoljnjih smetnji, jer one mogu da utiču na to da kubiti izgube svoje kvantno stanje. Google i IBM ovo postižu postavljajući svoje superprovodljive procesore pod temperature niže od onih u svemiru. Ne možete ni da zamislite koje tehnologije su potrebne da se rekreira takvo okruženje, a kamoli da se skalira na potrebne veličine za adekvatnu primjenu.
Dodajte svemu tome i da nestabilnost kubita vrlo često znači da se tokom proračuna dobijaju greške, pa se paralelno sa kubitima razvija i grana računara koja pravi metode za korekciju grešaka. Za sada nije realno predvidjeti kada će kvantni računari dostići do upotrebljive primjene, jer su nam potrebne revolucionarne promjene koje se ne mogu predvidjeti.
Kvantni softver
Razvoj kvantnog hardvera je veliki dio izazova kvantnih računara, ali je najznačajnije usko grlo – ekosistem. Čak i najnapredniji kvantni računar na svijetu je potpuno neupotrebljiv bez odgovarajućeg kvantnog softvera.
Kreiranje kvantnih algoritama se ne može postići prilagođavanjem algoritama za klasične računare kvantnim računarima. Ovo je zato što kvantni softver zahtijeva poseban pristup koji je moguć sa potpuno novim alatima za razvoj ovog softvera. Za sada IBM prednjači u razvoju ovih alata i poseduje razvojni paket za razvoj kvantnog softvera koji je otvorenog koda i koji se naziva Qiskit.
Zbog čega se insistira na cloud kvantnim računarima?
Kompleksnost kvantnih računara: ultra jake vakumske komore, kriogenska kontrole i drugi egzotični instrumenti znače da će, ukoliko se nešto drastično ne promeni kvantni računari zahtijevati laboratorijske uslove. Ovo znači da će komercijalni kvantni računari biti dostupni samo kroz cloud, kako bi bio dostupan publici širom svijeta, umesto da ih kupujemo i držim kod kuće kao desktop.
Zbog toga ne čudi što su i IBM i Google svoje kvantne računare smjestili u cloud okruženje, dok Microsoft Azure Quantum i AWS Bracket servis omogućava korisnicima da pristupaju računarima drugih proizvođača kvantnog hardvera.
Da li će kvantni računari zamijeniti naše laptopove?
Kvantni računari će rješavati određene probleme, ali to ne znači da će biti bolji od klasičnih računara u svakom pogledu. Konkretno kvantni računari su gori od klasičnih kada su u pitanju osnovni aritmetički proračuni ili izvršavanje komandi. U prevodu, kvantni računari su odlični za optimizaciju, ali nisu dobri za Office alate i sve klasične tehnologije koje obuhvataju dosta matematike, proračuna i sekvencijalnih operacija.
Kako ćemo koristiti kvantne računare?
Kao što se sada data centri oslanjaju na moćne računare koji u zavisnosti od tipa problema koriste CPU ili GPU za rješavanje određenih problema, tako će i kvantne procesorske jedinice QPU biti dio data centara i koristiće se prema potrebi za zadatke u kojima su bolji od CPU i GPU. Naravno, istraživači i posebni algoritmi će određivati za šta će se kvantni računari koristiti, kako bi njihov potencijal bio maksimalno iskorišćen.
Ljudi su generalno zbunjeni, jer prebiše obraćaju pažnju na tehničke detalje koji su potrebni da bi oni radili. Treba napomenuti da vam nije potrebno da znate kako funkcioniše pametni telefon, da biste ga koristili.