TEMA BROJA

M.R.

Kvantni računari / Dr Aleksandra Gočanin, docent Fizičkog fakulteta u Beogradu, o kvantnom računarstvu

Kvantni računar ante portas!

Dokle se stiglo u razvoju kvantnog računara? Pitanje nije retoričko. Njegova praktična primena se iščekuje kao hleb nasušni. Zasad, on se „na papiru“ kao paun svojim raznobojnim perjem oholo šepuri ogromnim mogućnostima. Ali taj transfer iz teorije u proizvodne pogone čini se još daleko. Najrazličitiji tekstovi na internetu svojevrsna su istorija kako se proces razvoja kvantnog računara odvijao, od Fajnmana do danas. Jedan hroničar je to nazvao odisejom koja traje pune četiri decenije. U skorije vreme, zaintirgira nas na trenutak vest da je njegova primena pitanje dana ili da je već počela. Ali oni koji nešto znaju o kvantnoj fizici, znaju da to nije pravi kvantni računar već kombinacija kvantnog i klasičnog da bi se ubrzale neke računarske operacije.

-Jedna od najzanimljivijih tema u današnjoj fizici su kvantni računari. Sve što se radi u drugim granama fizike usmereno je ka tome, kaže na početku razgovora za Planetu dr Aleksandra Gočanin, docent na Katedri za kvantnu i matematičku fiziku Fizičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu, vodeći naš stručnjak u oblasti kvantnog računarstva.

Dve grupe projekata

Aleksandra Gočanin je na ovo polje savremene fizike zakoračila svojom doktorskom disertacijom Detekcija kvantnih korelacija, koju je uradila pod vođstvom prof. Borivoja Dakića sa Fakulteta za fiziku Univerziteta u Beču i komentora akademika Milana Damnjanovića, svog profesora kvantne mehanike, a odbranila na svom matičnom fakultetu. Ideju za svoju tezu našla je u radovima jesenas preminulog akademika Fedora Herbuta (nekada uvaženog profesora fakulteta na kome ona danas predaje) o kvantnim korelacijama i njihovom opisivanju, višečestičnim operatorima i teoriji o kvantnoj spletenosti.
Tezu je, kako veli, uradila na relaciji Beograd-Beč. “Što se istraživanja tiče, u kontaktu sam i sa grupom iz Austrije i sa našim istraživačima koji se bave kvantnim računarstvom u Parizu, neko ko je preuzeo sve te veze. I mlađi i stariji članovi grupe se uključuju u istraživanja preko mene.” Sa prof. Časlavom Bruknerom, koji je doktorirao kod profesora Antona Cajlingera (jednog od trojice dobitnika Nobelove nagrade 2022), sarađuje na projektima teorijskog zasnivanja kvantne mehanike i drugačijeg pogleda na teoriju kvantne gravitacije.
Sve projekte moderne fizike izdvaja u dve velike grane: projekte vezane za teorije elementarnih čestica i fiziku visokih energija (CERN, sve ono što se radi u Japanu i na dektovanju neutrina) i sva ostala istraživanja koja bi mogla da nađu primenu u kvantnim računarima. I naglašava: “Čak i CERN kao naučno-istraživačka institucija koja se bavi fizikom visokih energija, ima kvantni program kroz koji pokušava da uradi razvoj kvantnih algoritama koji bi bili korisni za obradu podataka. Jer fizičari u CERN-u, prilikom bilo kakve detekcije, dobijaju ogromnu količinu podataka i nastoje da spoje sve istraživače koji se bave kvantnim algoritmima sa onima koji rade na detekciji događaja, kako bi ovi našli primenu u obradi svih dobijenih podataka. Možda je i to lepa i optimistična stvar, i sam internet je nastao u CERN-u, pa zašto u njemu ne bi proradio i prvi kvantni računar”.
Sagovornik Planete potvrđuje našu opasku da se trka u razvoju kvantnog računara u svetu ubrzava. “Poslednje dve godine imamo zaista veliki razvoj u kvantnom računarstvu, pre svega, kvantnih algoritama za kvantne računare koji bi trebalo da nam mnogo brže izračunaju, odnosno odrade celu klasu problema koji su trenutno nedostižni za klasične računare.”

Šta je to sada nedostižno za klasični računar ili eksponencijalno teško da se izračuna?
-Ako hoćemo da simuliramo kako će se ponašati neki protein za izradu odgovarajućeg leka ili ako hoćemo da simuliramo kako će se kretati malo ozbiljnije poslovanje na berzi, klasičnom računaru bi trebalo veoma mnogo vremena za pravljenje ozbiljnijih portfolija. Ako bismo hteli da simuliramo kako radi neki kompleksni fizički sistem, klasični računari to mogu da urade, ali uz veoma mnogo aproskimacija jer imamo jako mnogo brojeva kojima treba manipulisati. Ali sve što je u tom složenom fizičkom sistemu komplikovano to bi trebalo da urade kvantni računari.
Suština onoga što se događa u dve poslednje godine je u seledećem. “Imamo velike kompanije, pogotovo farmaceutske industrije, koje ulažu mnogo novca da se razvijaju kvantni programi u firmama. Širom planete se stvaraju ne samo startapi, nego prosto velike kompanije započinju kvantni program. Imamo velikane, poput Gugla, Majkrosofta, IBM-a, koji već imaju razrađen kvantni program. Šta oni rade? Velike firme, objašnjava dr Aleksandra Gočanin, imaju laboratorije koje imaju nešto što bi se zvalo kvantni procesori. Ti kvantni procesori nisu ništa drugo nego hladni atomi na temperaturama reda mikro, nano ili mili kelvina, temperaturama veoma blizu apsolutne nule. To znači da velike kompanije imaju ogromne kriostate u kojima bi morali da čuvaju to što bismo mi nazvali kvantni procesori. To nije nešto što bismo mogli da držimo na običnoj sobnoj temperaturi.”

Rasprave među istraživačima

S druge strane, postoje kompanije koje žele da iziđu iz te “apsolutne nule” u realizaciji kvantnih bitova i idu na superprovodne kvantne bitove, odnosno na superporvodne strukture i superporovodne materijale. Na taj način rade kvantni bitovi, kvantne tačke, odnosno spinovi elektrona koji su zarobljeni u “jamama”. To, takođe, pati od boljke niskih temperaturae, naglašava dr Gočanin.
Predočava da ono što je najostvarljivije jesu fotonske realizacije, fotonski čipovi pomoću kojih se  realizuju kvantna logička kola. To ne pati od pomenute boljke. “Imamo i topološke kvantne bitove, što je takođe zanimljiva realizacija. Svaka od tih velikih kompanija ide različitim putem u razvoju kvantnih bitova i prosto se utrkuju ko će prvi uraditi neki smisleni kvantni protokol, odnosno smisleno kvantno izračunavanje sa nekoliko desetina kvantnih bitova i na taj način pokazati da ima kvantnu nadmoć.”  Rečju, da pokaže na praktičnom primeru da kvantni procesor radi nešto mnogo bolje, eksponencijalno mnogo brže nego klasičan računar.

-Google je 2019. pokazao jedan takav rezultat, s tim što je to bio jedan krajnje fizički primer, ilustruje gornju tvrdnju Aleksandra Gočanin.  - Nešto što se u fizici zove bozon centrum, ne znam da li imamo adekvatan prevod na srpski jezik. Otprilike, moglo bi se opisno prevesti kao računar koji se bavi ponašanjem bozona u nekom uzorku. To je fizički primer koji je izračunat na kvantnom računaru, prosto da pokaže da postoji kvantna nadmoć.
Povodom toga se razvila velika debata. IBM je smatrao ako optimizujemo superkompjuter i uzmemo neki početni uslov da možemo doći do istog rezultata. Taj Guglov eksperiment je potom ostao negde u senci svih tih rasprava, koje su se svodile na mišljenje da superkompjuter koji bi bio optimizovan može da izračuna što i kvantni procesor koji je Google izbacio. To Guglovo otkriće, iako je bilo boom 2019, pre izbijanja pandemije korone virusa, ostalo je u senci pomenutih diskusija.

Po mišljenju dr Gočanin, ono što imamo efikasno danas - jesu prototipi kvantnih računara koje su napravile kineske kompanije. Jedne kompanije prave samo kriostate koji hlade na veoma niskim temperaturma, sa postavkama od 2, 3 do 5 kvantnih bitova. Ovi prototipi kvantnih računara su veoma mali u smislu broja resursa. Oni ne mogu da imaju praktičnu primenu, ali naučnici sa njima mogu da se igraju. Na tim malim kvantnim procesorima koji su komercijalno dostupni mogu da se izvrše neke kvantne teleportacije, enkodiranja, da se srednjoškolcima i studentima pokaže da postoji nada da treba ulagati u kvantne računare. To je ono što imamo u poslednje četiri godine, u kojima se baš zahukatala rasprava među istraživačima i kompanijama i ulažu se velika sredstva u razvoj kvantne tehnologije da se dobije efikasan kvantni simulator.

Mnogo prepreka na putu

Na tom putu, međutim, ima mnogo prepreka. “Jedna od prepreka koju treba savladati je sama realizacija kvantnog hardvera, ono što bi bilo srce tog računara. Sledeći problem, i ako bismo napravili odgovarajući hardver, odgovarajući kvantni procesor, bio bi korekcija šuma. To je druga oblast kvantnog računarstva koja je jako značajna. Treća, kako u fizičkim sistemima otkloniti šum, što od okoline, što od međusobnih interakcija u nekom kompleksnom sistemu - a kvantni bit je jedan takav sistem. Kako ispraviti greške koje se dešavaju prilikom kvantnih izračunavanaja, npr. usled interakcija lasera sa kvantnim procesorom zato što moramo da vršimo određena merenja (očitavanja).”
-Korekcija grešaka je nešto u šta se ulaže ogroman novac. Moramo, dakle, imati algoritam koji će vrlo efikasno ispravljati greške. U tu svrhu se ulažu značajni resursi ljudi koji rade čisto kompjuterske nauke, zato što su njima poznate sve tehnike mašinskog učenja. Veštačka inteligencija i mašinsko učenje su sa te strane ušli u kvantno računarstvo da bi prosto pomogli u razvoju algoritama za korekciju šumova (grešaka) u kvantnim  računarima.
Tri su, dakle, velike oblasti istraživanja: konačno traženje odgovarajućeg kvantnog hardvera, korekcija grešaka i sa stanovišta fundamenta kvantne teorije informacija, koja stoji iza toga, praktična primena i razvoj algoritama.
-U razvoju algoritama u kvantnoj mehanici ogromnu ulogu imaju i stručnjaci koji su softverski inženjeri jer je njima poznato šta klasični računari mogu da urade. Oni zapravo pokušavaju da transferišu sve praktične protokole u kvantne protokole, pri čemu treba optimizovati odgovarajući kvantni protokol jer je realizacija kvantnih logičkih kola skupa.
U kom smislu skupa? Ono što fizičari i inženjeri umeju da naprave jeste da znamo kako da manipulišemo sa jednim ili dva kvantna bita, ali njih treba uvezati, kvantno splesti, i svako novo kvantno logičko kola zahteva novi inženjernig ili prosto spajanje tih osnovnih blokova koje već imamo. To je ujedinjeni zadatak fizičara, inženjera i softverskih inženjera, s kompjuterske strane.
-Ono što je takođe još bitno - podvlači dr Aleksandra Gočanin - jeste verifikacija da li je softver koji koristimo ispravan. Pre samog kvantnog računanja, moramo na određeni način da proverimo kako smo enkodirali informaciju u kvantni hardver i kvantno kolo koje smo napravili, da li smo je enkodirali na ispravan način i da li sa tim kvantnim resursom možemo da započnemo računanje. To je zadatak kojim sam se tokom svojih kvantnih istraživanja najviše bavila i nadalje bavim.

Ono čemu se ljudi u perspektivi možda najviše nadaju u oblasti kvantnog računarstva i kvantnih komunikacija jeste da ćemo imati nešto što će se zvati kvantna mreža, odnosno da će možda u nešto daljoj budućnosti komunicirati preko kvantnih resursa. U jednom takvom eksperimentu 2018. godine ostvarena je kvantna komunikacija između laboratorije na Zemlji i kineskog kvantnog satelita Micius, u njenoj orbiti. Bio je to plod saradnje grupe sa Univerziteta u Beču i kinske grupe Džian-Vei  Pana (Jian-Wei Pan) sa Univerziteta za nauku i tehnologiju. “Vrlo poučan primer saradnje u nauci Istoka i Zapada” - primećuje šef grupe sa Fizičkog fakulteta UB, a potom ističe:
-Provera da li je neki kvantni računar siguran je jako značajna za protokol o zvaničnoj komunikaciji, protokol o kriptografiji, gde mi zapravo enkodiramo neke podatke koje želimo da pošaljemo u kvantne bitove. Po principima kvantne mehanike ispostavlja se da je takva komunikacija i sigurnija, usled postojanja presretača kome ne bismo verovali u celom tom prenosu informacija.
Kada je reč o kvantnom internetu, pomenimo primer iz Holandije. Grupa istraživača sa Tehničkog univerziteta u Delftu (rodnom gradu slavnog slikara Vermera van Delfta - nap. a.), prenosi dr Gočanin, nada se da će kroz razvoj bezbedne kvantne informacije doći do kvantnog interneta i da ćemo u bliskoj budućnosi komunicirati koristeći kvantne resurse. “Možda je to i daleka budućnost”, veli, “ ali na nivou nauke deluje veoma zanimljivo, jer svaka informacija koju pošaljemo na taj način, ne možemo sa stopostotnom sigurnošću to da tvrdimo, ali svakako bi bila sigurnija nego preko klasičnih računara.”

Šta će biti sutra?

To je pogled na današnjicu u razvoju kvantnih računara. Šta će biti sutra, vrlo je teško reći, jer je u pitanju velika trka velikih kompanija koje investiraju u razvoj kvantnog računarstva. Ali i politički najmoćnijih zemalja; pored SAD, Kanade, Velike Britanije, Francuske, Nemačke, uključene su i Rusija, Kina, Indija, Japan, Severna Koreja...Velika Britanija, npr. dosta ulaže i u razvoj kvantnih računara koji će služiti veštačkoj inteligenciji (AI).
-Velika Britanija je nedavno izbacila hardver future, kako izgleda pogled na budućnost kvantnog računarstva. Britanija sa svojim istraživačkim centrima i kompanijama koje sarađuju sa industrijom smatra da će proizvesti kvantni računar u narednih pet godina. Ima snažne kompanije u oblasti informacionih tehnologija i vrlo uspešno povezuju akademiju i industriju i u tom smislu očekuju da će napraviti progres.
Kvantno računarstvo bez sumnje, barem u najavama, doživljava neslućenu ekspanziju, a njegova tržišna vrednost ekspoenencijalno raste. “Polažu se velike nade u to da će kvantno računarstvo uskoro biti u praktičnoj upotrebi”, kaže dr Aleksandra Gočanin, istučići da već “imamo neke pokaze kvantne superiornosti i razvoja kvantnih mreža, a u budućnosti i kvantnog interneta.”
-Mislim da je to goruća tema u tehnologiji danas i ne čudi me što se tolika sredstva ulažu. Sama ne pratim brojke toliko, već redove veličina. Nadam se da se nećemo razočarati, tj. da nas uskoro očekuje veliki proboj u oblasti kvantnih tehnologija.
U skladu sa tim su i njena predviđanja kada bismo realno mogli da sednemo za kvantni kompjuter:
-Ako bi bila optimistična i prosto poverovala da će se više različitih ideja ujediniti, te da će velike kompanije početi da malo međusobno sarađuju i od svakog uzeti ono što je najbolje, mogli bismo da taj trenutak dočekamo kroz pet godina. Ali, pošto isto tako verujem da je to igra moći - ko će u tome biti prvi - imaćemo jednu klackalicu, i to vreme se može udvostručiti, pa i utrostručiti. Bila bih zadovoljna ako bi se taj cilj ostvario za otprilike petnaest godina. To je neko realno vreme potrebno za takvo dostignuće.

Kvantni hardver

Mane i izazovi

Dok razvoj praktične realizacije kvantnog hardvera napreduje, dolazi do mogućnosti generisanja sve većih kvantnih stanja (u pogledu broja kvantnih bitova, ovo su brojevi preko jedne stotine). U ovom kontekstu, verifikacija velikih kvantno korelisanih sistema predstavlja jedan od glavnih izazova u korišćenju takvih sistema za pouzdanu obradu kvantnih informacija. Iako je najkompletnija tehnika nesumnjivo potpuna tomografija kvantnih stanja, eksponencijalno povećanje

Druge metode koje ciljaju samo na određena svojstva sistema, kao što je otkrivanje sprege putem operatora provere, zahtevaju manje napora, ali i dalje koriste veliki broj kopija kvantnog resursa za pouzdane procene. Iz ovog razloga, postoji stalna potreba za razvojem novih tehnika koje prevazilaze ove ograničavajuće faktore. U našoj istraživačkoj grupi razvijamo nove tehnike usmerene na takve scenarije sa ograničenim i fiksnim brojem resursa, i stoga se pokazuju pogodnim za sisteme proizvoljne dimenzije i otvaraju put za primene u eri kvantnih tehnologija.
Dr Aleksandra Gočanin navodi nekoliko glavnih problema kvantnog hardvera. Na prvom mestu problem kvantne dekoherencije. Šta je njegova suština? “Kvantni bitovi su osetljivi na spoljašnje uticaje, što može dovesti do gubitka kvantne informacije u procesu koherencije. Ovaj fenomen ograničava vreme trajanja kvantnih operacija”.

Teorija kvantne informacije

Od prve ideje Ričarda Fejnmana do danas proteklo je više od četrdeset godina, istraživanja se uveliko ubrzavaju, razvoj odgovarajućih algoritama takođe. Najbolje knjige iz kvantne teorije informacije napisane su dvehiljadite, a deset godina kasnije, kažete, dobili smo najbolji udžbenik. Aleksandra Gočanin je posle masters studija provela pet meseci na Institutu za fotoniku u Barseloni, na stručnom usavršavanju u grupi za Eksperimentalnu kvantnu informaciju. Saznajemo nešto iz prve ruke o teoriji kvantne informacije.

Revolucionarna ideja

-Teorija informacija se rodila šezdesetih godina prošlog veka. Prva ideja da informacija može da se enkodira u bitove rođena je u doba razvoja tranzistorske tehnologije, prvo tranzistora a onda stvaranja klasičnog hardvera (prvih procesora za računanje). Znam dobro teorijski kako su te mašine izgledale. Pomenuli smo slavnog Ričarda Fejnmana. Fejnmanova ideja iz 1981. godine bila je zapravo da sav fizički svet posmatramo na drugačiji način, jer su svi procesi koji se dešavaju oko nas i u nama mnogo kompleksniji; i zašto ne bismo primenili nešto što znamo da postoji, a to su kvantni bitovi. Znamo da u kvantnoj mehanici dva kvantna stanja mogu biti u superpoziciji, u stanju 0 i u stanju 1. Na taj način, umesto korišćenja 64 klasična bita, 64 nula, jedinica, možemo zapravo da koristimo šest kvantnih bitova. To je u stvari bila revolucionarna ideja. Ako u jedan kvantni bit mogu da enkodiram dve kvantne informacije, u dve mogu četiri, u tri osam, a u n 2 n tj. eksponencijalno sa brojem kvantnih bitova. Ono što je bila Fejnmanova revolucionarna ideja do toga da imamo kvantni algoritam prošlo je određeno vreme. Velikani toga vremena koji su se dobro razumeli u kvantnu mehaniku, koji su imali uvid u to kako izgleda kada se to uradi na klasičnom računaru, Piter Šor (Peter Shor), npr., došli su na ideju da to prevedu na kvantni jezik i tako napravili algoritam koji će bilo koji veliki broj da faktoriše na proste činioce. I to eksponencijalno efikasnije u odnosu na klasični računar.
Zanimljivo je da je to razlaganje velikih brojeva na proste činioce zapravo u srži klasičnog RSA (Rivest-Shamir-Adleman) protokola za sigurnu razmenu ključeva i enkripciju podataka. Ova sposobnost kvantnih računara da brzo faktorišu proste brojeve ugrožava klasične kriptografske metode poput RSA, dovodeći do potrebe za razvojem novih kvantno-otpornih kriptografskih tehnika.
Tokom vremena dolazi do razvoja kvantnih algoritama i do prvih prepreka. Sve to na papiru izgleda idealno, ali kako bi izgledala neka fizička realizacija kvantnog procesora? Ako imam 5 kvantnih bitova i hoću da u laboratoriji napravim kvantno logička kola koja će da dovedu do postojanja kvantne spletenosti preko koje simuliramo najrazličitije procese, u svakom od njih će se deseti neka greška: doći će što do ambijentalnog šuma, što do međusobnih interakcija koje će dovesti do greške.
Fizički eksperiment nije idealan, čega bilo koji čovek, a utoliko pre naučnik, mora da bude svestan. Naročito ako je u oblasti teorijske fizike. Predajem matematičku fiziku, naši matematički modeli su mnogo lepi, mnogo elegantni, ali kada nekom u laboratoriji zatražite da ih eksperimantalno proveri, onda je to nešto sasvim drugo, i manje lepo i manje elegantno.

Muka sa eksperimentima

I objašnjava zašto je to tako:
-Kada želimo da očitamo informaciju iz nekog kvantnog resursa, moramo na određeni način ili da taj kvantni resurs uništimo (ako su u pitanju fotoni) ili da taj eksperiment ponavljamo bezbroj puta da bismo tu statistiku iskoristili i našli nešto relevantno. Ako su u pitanju neke druge realizacije, mi prilikom svakog kvantnomehaničkog merenja očitamo informaciju i ponovo moramo da krenemo sa procedurom ispočetka, da vratimo kvantni resurs u prvobitno stanje i ponovimo ceo proces transforamcije tog kvantnog resursa do tačke u kojoj merimo (očitavamo) ono što je informacija koja nam je potrebna. To u eksperimentalnom smislu nije nimalo jednostavno.
Ili ako pokušavamo da uradimo nešto što zahteva kvantnu simulaciju, slikovno kvantni simulatori izgledaju jednostavno. Jedan kvantni bit možemo staviti u jednu kućicu, drugi u drugu kućicu gde su merni aparati i da očitavamo. Sve to lepo izgleda na tom nivou simulacije, ali u realnosti, gde radimo sa fizičkim sistemima, pored naše želje da dobijemo isto tako idealni rezultat, dobijemo nešto što ima mnogo šuma i nema prevelikog smisla. I sve to moramo da popravimo.

M.R.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"