Kvantno računarstvo: Odiseja duga pola veka

Kvantno računarstvo (eng. quantum computing) mnogi smatraju svetim gralom računarstva čijim bi ovladavanjem svet prevazišao fizičko-logička ograničenja današnjih kompjutera koji se baziraju na sve većoj sirovoj snazi procesora, a koji (ipak) poseduju svoje objektivne granice.

Napori: od Fajnmana do danas

Rodonačelnik kvantnog računarstva bio je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku Ričard Fajnman. Njegovo razmišljanje bilo je vrlo jednostavno, ali unutar složenog sveta mehanike kvantnih čestica - onih manjih od atoma i bazirano na premisi da - ako su pravila koja važe između gradivnih elemenata atoma sasvim drugačija nego u “svetu velikih stvari” - onda bi i računari bazirani na kvantnoj mehanici trebalo da se ponašaju drugačije od standardnih.

Obećanje napretka koje bi kvantno računarstvo pružilo čovečanstvo je toliko veliko da investicije i istraživanja ne presušuju ni posle pola veka od kako je Fajnman inicijalno izneo svoje teze, iako je opipljivih rezultata nedovoljno.

“Šredingerov kjubit”

Iako su i “obični” računari u neku ruku kvantni jer se zasnivaju na kvantnim efektima, oni koriste klasičnu logiku kao osnovu za svoje funkcionisanje. Najmanja jedinica informacije je bit, koji može imati stanje ili nula ili jedan. Razlika između klasičnih i kvantnih računara je u tome što kvantni koriste specifične efekte kvantne fizike koji otvaraju mogućnosti drugačijeg načina prenosa informacija.

Kvantna logika koju oni primenjuju uvodi probabilističko proširenje klasične logike: Najmanja jedinica informacije je kjubit koji može biti nula, jedinica ili njihova superpozicija, odnosno verovatnoća stanja 0 i 1.

Drugim rečima, tranzistor kao deo mikročipa u standardnom računaru nalazi se ili u zakočenju (nula) ili zasićenju (jedinica), dok kjubit osim nule i jedinice ima i jedno dodatno stanje. Preciznije rečeno, kjubit može da se u isto vreme nalazi u oba stanja, baš kao i čuvena Šredingerova mačka koja se u kutiji nalazi i živa i neživa.

Kvantni procesi i njihove posledice

Procese koji su karakteristički isljučivo za kvantne sisteme su relativno teško shvatljivi onima koji tokom školovanja nisu imali dodira sa ovom granom fizike, ali posledice tih procesa mogu nazreti i laici.

U te procese spadaju: diskretnost energije, superpozicija, spletenost i tunelovanje.

• Subatomska čestica (elektron) orbitira oko jezgra atoma sa tačno određenom, tj. diskretnom vrednošću energije. Kada se pobudi tako što ga pogodi čestica svetlosti - foton, on prelazi na novi, viši energetski nivo sa novom diskretnom vrednošću, ali uz paradoks da jedno kratko vreme postoji na oba nivoa.
• Superpozicija je izraz putanje elektrona koja nije predvidiva, tj. on se nalazi sa određenom verovatnoćom na više mesta. Iako je čestica, elektron se ponaša kao talas i za kvantno računarstvo je ovaj fenomen izuzetno bitan jer omogućava paralelizam u obradi podataka.
• Kvantna isprepletanost omogućava neku vrstu teleportacije. Ako su dve čestice kvantno spletene i jednoj se promeni parametar (na primer, spin), i na drugoj se spin momentalno menja.
• Još je Raderford definisao efekat tunelovanja, gde elektroni koji nemaju dovoljno energije mogu savladavati potencijalnu barijeru - kao da lopta spontano iskače iz bunara. Kompletno objašnjenje uzroka tunelovanja ni danas ne postoji, ali se efekat primenjuje u nekim oblastima, poput nanotehnologije i nuklearne fuzije.

Kvantna informatika i kvantni algoritmi

Klasično matematički nerešiv problem biće nerešiv i za kvantni računar, ali problem koji je rešiv za klasični, ali za čije rešenje su mu potrebne godine, zbog mogućnosti paralelizma tokom obrade na kvantnom kompjuteru, biće trenutno rešivi.

Ova činjenica će dovesti do revolucije u primeni ovih računara u mnogim oblastima:

• Problem (de)kriptovanja i lake faktorizacije: za probijanje bilo koje šifre sa jakom enkripcijom gde bi današnjem superkompjuteru bile potrebne godine rada, kvantnom bi trebala jedna sekunda. Određena znanja iz ove oblasti se već koriste u komercijalnoj enkripciji, a za to je najzaslužniji Piter Šor, naučnik sa MIT-a, koji je definisao tzv. Šorov algoritam.
• Pretraživanje podataka: za izdvajanje tražene informacije iz N podataka, klasičnom računatu treba u proseku N/2 pokušaja, a kvantnom koren iz N. Ukoliko zamislimo ogroman telefonski imenik sa N brojeva, gde su brojevi sortirani po prezimenima, a nama treba konkretan broj, mi sa tradicionalnim računarom, da bismo našli konkretan broj, u najgorem slučaju, moramo proći kroz ceo imenik i proveriti svih N brojeva. Ne postoji matematička prečica kojom bismo povećali efikasnost pretrage.
  Sa kvantnim računarima i Gruverovim algoritmom za pretraživanje, složenost se smanjuje na O(√N), te ovaj proces postaje znatno efikasniji. Dakle, ako naš imenik ima milijardu brojeva – da bi našao traženi broj, u najgorem slučaju, tradicionalnom računaru potrebno je milijardu pokušaja, a kvantnom kvadratni koren od tog broja - 31.623, što predstavlja eksponencijalno ubrzavanje (ujedno i glavni razlog postojanja projekta Google Quantum AI).
• Optimizacija - rešenje “problema trgovačkog putnika”. Ovaj problem se opisuje kao pronalazak najkraćeg puta kojim trgovac trebalo da se kreće, a kome je cilj da poseti određeni broj gradova. “Problem trgovačkog putnika” prožima sve grane nauke, ali i svakodnevno poslovanje.

Zašto još ne postoje kvantni kompjuteri?

Za operativni kvantni računar potrebni su nam kjubitovi koji se ponašaju onako kako mi to želimo. Kao kjubitovi, teoretski mogu poslužiti razne čestice, ali je njima teško upravljati. Kjubiti se, naime, ponašaju “kako treba” samo ako su u izolovanom kvantnom sistemu. Međutim, nakon nekog trenutka i pri minimalnoj interakciji sa spoljnom sredinom, oni počinju da se ponašaju kako sami žele, postajući time beskorisni.

Vreme koje imamo na raspolaganju za sve proračune koje želimo da izvršimo sa kvantnim računarom pre nego što on stupi u kontakt sa spoljašnom sredinom i kjubitovi napuste kvantno stanje nazivamo vremenom koherencije. Ono danas iznosi ispod 100 mikrosekundi. Ako se zna da se Svaka kvantna operacija izvršava za 50 nanosekundi, dolazimo do toga da imamo vrlo ograničeno vreme tokom kojeg ne možemo da stignemo da uradimo skoro ništa.

Najzad, kvantni računar mora biti izolovan sistem, a izolacija se postiže putem superhlađenja. Kako bi se što više smanjio uticaj spoljašne sredine, mora se napraviti radno okruženje sa temperaturm sistema veoma bliskoj apsolutnoj nuli (0,1K). Ako znamo da je temperatura u međuzvezdanom prostoru 0,7K, postaje jasno koliko je teško napraviti računar hladniji od svemira!

Kvantno računarstvo obećava revoluciju u AI, novim materijalima…

Polje primene kvantnih računara je toliko isplativo da se njihov razvoj nastavlja bez obzira na sve izazove koji se usput javljaju.

Zahvaljujući sposobnosti paralelne obrade informacija, treniranje mreža dubinskog učenja kvantnim računarima može biti mnogo brže. Tehnika dubinskog učenja trenutno je najzastupljenija u razvoju veštačke inteligencije. Omogućavanjem bržeg treniranja, neuronske mreže bi postale dublje za kraće vreme, što bi dovelo do ubrzanog razvoja čitave oblasti veštačke inteligencije.

Dalje, ovakav računar bi stvorio uslove da kvantni hemičari istražuju različite, kompleksne odnose između atoma i molekula, što predstavlja alat za stvaranje novih lekova i materijala. Na primer, kvantnim računarima bismo mogli da pronađemo superiorne katalizatore za proizvodnju veštačkog đubriva i time obezbedimo hranu za čitavo čovečanstvo.

Pronalazak optimalnih jedinjenja bilo bi ključno i za domen električnih vozila, čije bi baterijske ćelije bile napravljene od novih, daleko efikasnijih materijala.

Zbog novih moći koje će ljudska vrsta pribaviti konačnim ovladavanjem kvantnim računastvom, pojam tehnološkog progresa dobiće potpuno novu dimenziju - prisustvovaćemo kvantnom skoku nauke unapred.