Šta je kvantni kompjuter i koliko bi trebalo da nas to zanima?

“Oni nikad neće biti na vašem stolu, i sigurno se nikad neće uklapati u vaš džep. Danas su krhki i moraju se držati na temperaturama blizu apsolutne nule. Kvantni računari nisu toliko slični desktop računarima koji su nam svima poznati – oni su potpuno nova vrsta mašine, sposobna za izračunavanje tako složenih zadataka, to je kao nadogradnja od crno-belih do spektra svih boja.

U poslednje vreme, puno slušate o kvantnom računaru. Postoje vijesti o tome kako to “može promijeniti svet” i “otvoriti nove dimenzije”. Univerziteti ubrzavaju svoje kvantne mikročip prototipe, demonstracije kvantno mehaničkih ideja u silicijumu i drugim uređajima i teorijama. Ali, hajde, kako to funkcioniše? Šta to radi? Ko to radi? I, što je najvažnije, zašto bi trebali da brinete?

“Kvantni računari pretvaraju pravila računara na glavu.”
Uprkos onome što ste čuli, trenutno je kvantno računarstvo manje ili više u doba kada je klasično računarstvo bilo u pedesetim godinama, kada su bili veličine sobe i radili na vakumskim cevima. Ali to bi moglo revolucionirati računarstvo. Potencijalno. Možda.

Pre nego što saznate šta je kvantni računar i zašto je važan, ponovimo matematičku teoriju kvantne mehanike. Može zvučati ezoterično, ali pravila kvantne mehanike regulišu samu prirodu čestica koje čine naš univerzum, uključujući i vaše elektronske uređaje i gadžete.

Kada je jedna stvar u isto vrijeme dvije stvari

U našem univerzumu navikli smo na nešto što je jedna stvar. Na primer, novčić može biti glava, ili može biti rep. Ali, ako je kovanica pratila pravila kvantne mehanike, kovanica bi se prevrnula. Dakle, sve dok ne padne i pogledamo ju, ne znamo da li je to glava ili rep. Efektivno, istovremeno je i glava i rep.

 
Mi znamo nešto o ovom novčiću. Postoji verovatnoća da će biti glava ili rep. Dakle, novčić nije glava, nije rep, to je, na primer, verovatnoća 20% glava i 80% rep. Naučno govoreći, kako može fizička stvar biti ovakva? Kako ćemo početi da ju opišemo?

Najmoćniji deo kvantne mehanike je da iz nekog razloga čini se da čestice poput elektrona djeluju kao talasi i svetlosni talasi poput čestica. Čestice imaju talasnu dužinu. Najosnovniji eksperiment koji pokazuje ovu činjenicu je dvostruki eksperiment:

Ako stavite par paralelnih proreza na particiju između zraka čestica i zida i postavite detektor na zid da biste videli šta se događa, pojaviće se čudan obrazac traka. Zove se momenat interferencije.

voovs2d07er8sqnbjpye

Kao talasi, čestice-talasi koji putuju kroz jedan prorez ometaju one koji putuju kroz drugi prorez. Ako se vrh valova poravna sa koritom, čestice se otkazuju i ništa se ne pojavljuje. Ako se vrh poravna sa drugim vrhom, signal u detektoru bi bio još jasniji. (Ovaj ometački šablon i dalje postoji, čak i ako samo jednom pošaljete jedan elektron).

s0c7kxeglhldf8crauoi

Da bismo opisali jednu od ovih talasastih čestica (pre nego što udare u zid) kao matematičku jednačinu, to bi izgledalo kao matematička jednačina koja opisuje naš novčić (pre nego što udari u zemlju i padne na glavu ili rep).

Ove jednačine mogu izgledati strašno, ovako:

hmcyxd7ns9njp8d1rjya

Ali sve što treba da znate je da ova jednačina navodi definisane osobine čestice, ali ne kaže koja će vam se dobiti. (To još ne znamo.) Možete koristiti ovu jednačinu da biste pronašli vjerovatnosti nekih osobina čestica.

I zato što ova matematika obuhvata složene brojeve – one koje sadrže kvadratni koren od -1, ili – ne opisuje samo verovatnoću da je kovanica glava ili rep, ona opisuje naprednu verovatnoću koja bi mogla uključivati način na koji će se lice kovanica se rotirati.

Iz sve ove lude matematike, imamo nekoliko ludih stvari. Postoji superpozicija – istovremeno je glavna i repovska kovanica. Postoje talasi za mešanje i verovatnoće preklapanja i poništavanje. I tu je zamršenost, koja je kao da smo povezali gomilu kovanica zajedno, mijenjajući vjerovatnoću određenih ishoda jer su sada dobro zapleteni. Ove tri lude stvari eksploatišu kvantni kompjuteri kako bi napravili čitav novi tip algoritama.

Kako funkcioniše kvantni kompjuter

“U nekom smislu isto radimo 60 godina. Pravila koja koristimo za izračunavanje se nisu promenila – mi smo zaglavljeni bitovima i bajtovima i logičkim operacijama “, rekao je Gizmodo Martin Vorforest, viši menadžer naučnog istraživanja na Institutu za kvantno računarstvo na Univerzitetu Waterloo u Kanadi. Ali to će se sve promeniti. “Kvantni računari pretvaraju pravila računara na glavu. “Tradicionalni računari obavljaju svoje računanje koristeći bitove, koji se mogu čuvati kao električne naboji u procesorima ili čak i sitne jame koje su bušene na CD-ove. Bit ima samo dva izbora, što mi predstavljamo kao jedan i nula. Bilo šta sa dva izbora je bit. Sve računarstvo se vrši pomoću podešavanja i povezivanja bitova, sa operacijama poput “ako je ovaj bit nula i ovaj bit je jedan, napravite ovaj treći bit jedan, inače ga napravite nula” i tako dalje i tako dalje. Qubit , kvantni bit, je kao redovan bit, ali je istovremeno nula i jedan (prije nego što pogledate). Ta kovanica se okreće u vazduhu. Kvantni kompjuter je istovremeno flipovanje više novčića, osim dok ove kovanice ne padnu, one se drže neobičnih pravila superpozicije, interferencije i upletenosti.

Kvantni kompjuter prvo daje kubitima ovoj kvantno-mehaničkoj verziji verovatnoće šta će se desiti kad jednom zapišete kubit. (Jednom kada očistite misteriozni kubit, ipak prestane biti misteriozan i postaje definisan bit.) Kvantno mehanička izračunavanja se izvode pripremom kubita (ili dodavanjem težine na novčić pre nego što ga okrenete da manipulišete verovatnoću ishoda), zatim (ili okretanje gomile zapletenih novčića odjednom), a zatim ih mjerite (što dovodi do toga da se kovanice ne preklapaju i daju konačnu vrijednost). Ako se to uradi ispravno, sva ova interakcija u vazduhu bi trebala rezultirati najboljim odgovorom (vrijednošću) na bilo koje pitanje koje ste postavili računaru. Kvantno računarstvo je posebno. Kao što smo ranije rekli, zbog toga što njegova matematika koristi složene brojeve, ona izračunava posebnu verziju verovatnoće – ne samo glave i repa, već i orijentaciju novčića. Dakle, dok bacate ove novčiće u vazduh, oni se udružuju sa različitim stranama i orijentacijama, a neka od ovih udaraca menja vjerovatnoću strane otkrivene ishodom. Ponekad se sruše jedni na druge i poništavaju jedni druge, čineći određene rezultate manje vjerojatnim. Ponekad se međusobno guraju, čineći određene rezultate boljim. Sve ovo je ponašanje interferencije. “Ideja sa kvantnim kompjuterom je da uzmete ovaj fenomen i eksploatišete ga u velikoj meri”, rekao je Scott Aaronson, teorijski kompjuterski naučnik na Univerzitetu u Teksasu u Austinu. “Ideja je da koreografirate uzorak smetnji” tako da se sve isključi osim odgovora koji ste tražili. Želite da se kovanice mešaju u vazduh. Za posmatrača, odgovor izgleda samo kao izlaz redovnih bitova. Kvantna mehanika se dešava u pozadini. Šta možete da uradite s njim, od hemije do enkripcije. Poznati fizičar Richard Feynman je pisao o prvom kvantnom kompjuteru u papiru iz 1982. godine – kompjuteru koji bi mogao koristiti kvantnu mehaniku za rešavanje određenih problema. Ali to je bilo kao da neko dođe sa novim načinom zabilježivanja muzike, ali nema instrumenta za sviranje na njemu i nema pisanih kompozicija. Tek kada su matematičari počeli razvijati algoritme za ovaj računar, to je postalo vjerojatnije da bi se Feynmanov san mogao ostvariti. Teoretičari su napisali kompozicije (algoritme), dok su fizičari radili na izgradnji instrumenata (fizički kvantni računari). U redu, sada imate samo ove čudne kvantne bitove čiji rezultat ne možete prethodno pogoditi. Sada morate da shvatite kako ih možete koristiti. Danas postoji nekoliko mesta na kojima istraživači razmišljaju da koriste kvantni kompjuter koji bi mogli rešiti određene probleme bolje od klasičnog kompjutera. Najčešće, možete koristiti ove kvantne bitove za stvaranje simulacija drugih stvari koje slijede luda pravila kvantne mehanike: naime, atomi i molekule. Naučnici mogu da koriste qubite za modeliranje čitavih molekula i njihovih interakcija. To bi moglo pomoći faramaceutima da osmisle nove lekove ili da naprave nove materijale sa željenim osobinama, pre nego što stave stopalo u laboratoriju. Stručnjaci su već mogli da modeluju ove molekule korišćenjem klasičnog računarstva, ali kvantna mehanika nudi ogromnu brzinu . Potpuno predstavljanje ponašanja molekula kofeina, uključujući i relevantna kvantna mehanička pravila njegovih pojedinačnih čestica, mogla bi zauzeti 160 kubita, objasnio je Robert Sutor, potpredsjednik Cognitive, Blockchain i Quantum Solutions na IBM-u. S klasičnim kompjuterom da bi se došlo do tog nivoa detalja trebalo bi oko istog broja bitova (10 ^ 48) , a atoma je na planeti Zemlji (između 10 ^ 49 i 10 ^ 50). IBM je već modelirao daleko lakši berilijum hidridni molekul koristeći šest kubitnih kvantnih kompjutera. Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley utvrdili su sve energetsko stanje molekula vodonika sa sopstvenim kvantnim kompjuterom od dva kubita.

Kako god cool zvučali, kvantni računari verovatno neće biti najpogodniji za dizajniranje web stranica njeni algoritmi za koje istraživači misle da mogu pružiti neku vrstu ubrzavanja preko klasičnih računara. Groverov algoritam, na primer, može pomoći u optimizaciji pretrage. Neki rade na korišćenju kvantnih računara u veštačkoj inteligenciji ili u optimizacijskim problemima kao što su “pronalaženje najveće planine u ovom planinskom opsegu” i “pronalazak najbrže trase između ove dve tačke odvojene od nekoliko reka koje prelaze nekoliko mostova.” Najsveobuhvatniji kvantni kompjuterski algoritam je nešto što se zove Šorov algoritam, koji bi mogao da promeni način na koji su skoro svi naši podaci šifrirani. “Pretpostavljam na tom nivou, to je kao Hladni rat.” Izrađen od strane Peter Shora 1994. godine. Ja bukvalno mislim na faktoring koji ste naučili u osnovnoj školi, na koji način možete razbiti 15 u svoje faktore, 3 i 5. Zbrojanje brojeva zajedno predstavlja jednostavan računski zadatak, ali pretvaranje velikih brojeva u njihove faktore traje daleko duže. Moderna kriptografija zasniva se na tom znanju, tako da je puno vaših podataka u najsloženijoj formi šifrovano “sigurno” pretvaranjem stvari u brojeve, množeći ih zajedno i povezivanjem sa “ključnim” -instrukcijama o tome kako ih faktorizirati. RSA šifrovanje se koristi gotovo svugdje, od lozinki do bankarstva do vaših društvenih medija. Ali, ako se kvantni kompjuter može pridružiti, može se pokrenuti Shorov algoritam i prekinuti enkripcija, onda taj stari način šifriranja više nije siguran. Prema svima sa kojima sam razgovarao, rušenje RSA enkripcije je decenije daleko, ali naučnici su dobro na putu za post-kvantnu kriptografiju, novu matematiku koja se može koristiti za kodiranje podataka. Ideja je da se enkripcija zasnovana na ovim novim idejama zasniva na matematici koja nije lakša za pokretanje sa kvantnim kompjuterom. U međuvremenu, drugi istraživači se bore da bi prekinu popularni RSA sistem za šifrovanje sa kvantnim kompjuterima pre nego što to haker radi. “Pretpostavljam da je na tom nivou to kao Hladni rat”, rekao je Stephan Haas, teoretski fizičar Univerziteta Južne Kalifornije. “Dobijate nuklearno oružje jer drugi dobijaju nuklearno oružje.”


Evo fizički qubit:


Naučnicima su potrebni tranzistori, tanki električni prekidači, za čuvanje bitova i pravljenje regularnih računara. Slično tome, njima je potreban hardver koji može čuvati kvantni bit. Ključ za proizvodnju kvantnog kompjutera je pronalaženje načina za modeliranje kvantnog sistema koji ljudi mogu zapravo kontrolisati – zapravo postavljaju vjerovatnoće i orijentacije tih novčića koji se vrte. Ovo se može uraditi sa atomima zarobljenim laserima, fotonima i drugim sistemima. Ali u ovom trenutku, većina u industriji koja je predstavila kvantni kompjuter učinila je to sa superprovodnicima – ultra hladnim komadima specijalno proizvedene elektronike. Izgledaju kao tinejdžeri. Osim što se ovi mikročipovi stavljaju u hladnjače veličine prostorije ohlađeni na temperaturu iznad apsolutne nule. Kvantni procesor od 8 kubiteta iz Nacionalne laboratorije Lawrence Berkeley. Ovakvi superprovodni kubiti dugo ostaju kvantni dok obavljaju kvantne računarske operacije, objasnio je Irfan Sidiqqi sa Univerziteta Kalifornija, Berkeley. Rekao je da druge vrste sistema mogu duže ostati kvantne, ali su sporije. Postoje tri vrste kubita napravljenih od ove elektronike. Zovu se fluks, naboj i fazni kubit, koji se razlikuju po specifičnostima njihovih konstrukcija i njihovim fizičkim svojstvima. Svi oni se oslanjaju na nešto što se zove Džozefsonov spoj kako bi radili. Džozefsonov spoj je mali komad nespršivih izolatora postavljenih između superprovodnih žica, mesta gde elektroni putuju bez ikakvog otpora i počinju da pokazuju očigledne kvantne efekte u većim sistema. Manipulisanje strujom kroz žice omogućava fizičarima da postavljaju kubite u ovim sistemima. Ovi sistemi su vrlo krhki. Raspadaju se u klasične bitove kroz bilo koju vrstu buke. I svaki dodatni qubit dodaje veću složenost. Najveći kvantni kompjuteri danas imaju manje od 20 kubika, sa izuzetkom, kompjutera D-Wave, čijih 2.000 kubita radi na posebnom, specifičnijem principu koji ćemo kasnije objasniti. “Kvantni kompjuter će uvijek imati greške.” U stvari, izvođenje proračuna sa ovim kubitima može biti izazov. Redovni računari imaju ispravku grešaka ili ugrađene redundance, mjesta gdje više bita vrši istu funkciju u slučaju da jedan od njih ne uspije. Da bi kvantni kompjuteri to uradili, oni moraju imati dodatne kubite ugrađene u svoj sistem posebno za provjeru grešaka. Priroda kvantne mehanike, međutim, otežava korekciju greške za razliku od klasičnih računara. Može trebati oko dvije hiljade fizičkih kubita koji rade u tandemu, zapravo, stvaraju jedan pouzdan s “korigovanom greškom” kubit otporan na zezanje. Ali približavamo se. “Postoji puno zdravog napretka koji se ne bi mogao zamisliti pre dve godine”, rekla je Debbie Leung na fakultetu Instituta za kvantno računarstvo na Univerzitetu Waterloo. “Kvantni kompjuter će uvek imati greške”, rekao je Laforest. Srećom, molekulima za modelovanje nije potreban sasvim isti stepen tačnosti, rekao je Siddiqi, zbog čega su istraživači u ovim sistemima sa nekoliko kubita napredovali sa ovim tipovima simulacija. “Sada smo na raskrsnici gde se teoretska potražnja nasuprot realnosti eksperimenata konvergira zajedno. “Bolji qubiti i dalje istraživanje nastavljaju da nas približavaju pragu gdje možemo da konstruišemo nekoliko kubit procesora. “Sada smo na raskrsnici gde se teoretska potražnja u odnosu na stvarnost eksperimenata zbližava”, rekao je Laforest.

Ko to radi

Nacionalne laboratorije i kompanije poput IBM-a, Google-a, Microsoft-a i Intel-a nastavljaju podešavanja kubita u logičke krugovi slične regularnim bitovima, sa manje od 20 kubita do sada. Kompanije istovremeno simuliraju kvantne računare sa klasičnim računarima, ali se oko 50 kubika vidi kao granica – IBM je nedavno simulirao 56 kubika, što je zauzelo 4,5 terabajta memorije na klasičnom računaru. U kojoj kompaniji smo razgovarali ima nešto drugačiji pristup razvoju svog superprovodne mašine. Sutor iz IBM-a je rekao kompaniji Gizmodo da preduzme dugoročni pristup, nadajući se da će jednog dana osloboditi kvantni kompjuter za opću namjenu na kojem se klasični računari oslanjaju, kada je potrebno, preko interneta. Intel je upravo ušao u trku sa svojim procesorom od 17 kubita koji je objavljen u oktobru. Microsoft je pokazao svoj programski paket za korisnike koji se suočava sa potrošačima i opisao je sličan dugoročni cilj za kvantno računarstvo koje uključuje skalabilni hardver. Kruže glasine da će Google do kraja ove godine otpočeti kvantni kompjuter koji će postići “kvantnu nadmoć sa 49 ili 50 kubika. Kvantna nadmoć jednostavno znači pronalaženje jednog jedinstvenog algoritma za koji kvantni kompjuter uvek pobedi, a za koji se ne može naći klasično rešenje da bi se rešio isti problem. Međutim, ovo je samo jedna prekretnica. Druga preduzeća su se, izgleda, složila i naglasila svoje dugoročne ciljeve kvantnog računarstva. Google nije odgovorio na zahtev za komentar. Dok 2017 godina izgleda kao godina kvantnog buma, svi sa kojima sam razgovarao bili su realni koliko smo daleko od kvantnog računara dostupnog potrošačima. “Gledajući u 2020. godinu, 2021. Počinjemo da vidimo prednost za prave korisnike, korporacije i naučna istraživanja”, rekao je Sutor. Ali jedna kontroverzna kompanija, D-wave, umjesto toga radi različito kvantno računarstvo zvano adiabatsko kvantno računarstvo. Umesto samo desetina do nekoliko desetina qubita, najavili su računar sa 2.000. I pre nego što se oslanjaju na kvantne logičke krugove kao i ostali, njihov računar rešava jedan tip problema sa optimizacijom problema, poput pronalaženja najboljeg rješenja iz čitavog opsega rješenja ili pronalaženja najbolje rute od tačke A do tačke B ostati. Ovakvi problemi su potencijalno korisni u finansiranju. U suprotnosti sa konkurentima, D-wave ne zahteva da njegovi kubiti budu korigovani na grešku. Umesto toga, prevazilazi ispravku grešaka tako što pokreće algoritam mnogo puta u sekundi. “Da li je ovo mašina za opšte namene koja može riješiti bilo koji problem? Ne, “izjavio je Bo Gwald, predsjednik D-Wavea. “Ali uopće nema kompjutera koji mogu pokrenuti ove probleme.” U ovom trenutku, ljudi se slažu da je računar D-Wave kvantni računar, ali nisu sigurni da li je bolji od klasičnog računara za isti problem (neki od njegovih korisnika izveštavaju o klasičnim algoritmima, rekao je Ewald). Ali Ewald je samo želeo da dobije kvantne računare pred ljudima. “Ako želite da počnete danas sa kvantnim računarima iz stvarnog sveta, ovako ćete to učiniti. NASA, Google i Los Alamos National Labs imaju sve kupljene modele ili računarski prostor “, rekao je Ewald. Svako, čak i Ewald u D-Wave, slaže se da smo daleko od gledanja kvantnih računara koji se koriste u svakodnevnom životu – ima puno uzbuđenje ali smo još uvek u ranim danima. Postoje horde izazova, kao što je korekcija grešaka. Zatim dolazi i srodni problem prenošenja kvantnih informacija između udaljenih računara ili dugoročnog čuvanja kvantnih informacija u memoriji. Pitao sam Aaronsona da li mislio da bi neko iznenada mogao predstaviti super napredni model – rekao je ne. “Znamo ko su najbolji naučnici i očekivali smo da ih skupimo na način na koji su fizičari bili na projektu Manhattan”, rekao je. “Mislim da je i dalje veoma zdrava oblast, ali istovremeno je istina da stvaranje korisnog kvantnog kompjutera predstavlja masovan tehnološki izazov. 

“Ne možete samo da izgrađujete u svojoj garaži. Ne, sada ne možete posedovati kvantni kompjuter, niti je verovatno da ćete ikada imati kvantni kompjuter. Veća je verovatnoća da kada vaš klasični računar ima kvantnu pomoć, nećete primijetiti da radi. Možda ćete čuti neke prednosti kvantnog računarstva u narednih nekoliko godina, kao što je biohemijski napredak, ali druge prednosti mogu biti udaljene 20 godina i više. I ukupno, nema dokaza da je kvantni kompjuter bolji od klasičnog računara. Još uvijek.”. (1)

Izvori: 

  1. https://gizmodo.com/what-the-hell-is-a-quantum-computer-and-how-excited-sho-1819296509
  2. https://gfycat.com/gifs/detail/OrnateInfamousIndiancow

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *