TEMA BROJA

Kvantni računari

Prvi računarski kvantni čip

Australijski naučnici su, posle gotovo jedne decenije istraživanja i rada, stvorili prvi kvantni računarski sklop na svetu objedinivši sve delove na klasičnom računarskom čipu - na kvantnoj osnovi, navedeno je u tekstu o ovom izumu objavljenom u časopisu “Nature”. Iza ovog uzbudljivog naučnog poduhvata stoje stručnjaci okupljeni u Silicon Quantum Computing i Centru za tehnologiju komunikacija. Oni su stvorili ono što je u osnovi funkcionalni kvantni procesor, nastao modelisanjem molekula, pri čemu svi atomi imaju više kvantnih stanja - što poznati računari teško da mogu postići.
Polovinom 20. veka, čuveni fizičar Ričard Fejnman zastupao je tezu da nikada nećemo shvatiti kako svet funkcioniše i kako funkcioniše priroda - ako ne možemo da to isto stvorimo u istom redu veličina. Zato su, da bi došli do novih dostignuća, australijski naučnici pratili stvaranje prvog kvantnog tranzistora 2012. godine. Na tom putu, istraživači su koristili tunelski mikroskop za skeniranje u visokom vakuumu i potom postavili kvantne tačke ne veće od jednog nanometra. Postavljanje svake kvantne tačke mora biti veoma precizno da bi strujni krug mogao da prati kako se elektroni pomeraju duž niza jednostrukih i dvostrukih veza ugljenika u molekulu poliacetilena.
Najsloženiji deo tog poduhvata bio je utvrditi koliko atoma fosfora treba da bude u svakoj kvantnoj tački i koliko te tačke moraju biti udaljene jedna od druge. Tek potom krenulo se u zadatak razmeštanja tih tačaka u odgovarajući raspored unutar silikonskog čipa. Na kraju se došlo do toga da kvantni čip sadrži 10 kvantnih tačaka, od kojih se svaka sastoji od malog broja atoma fosfora. Dvostruke ugljenikove veze rešene su uspostavljanjem manje udaljenosti između kvantnih tačaka od onih kod jednostrukih ugljenikovih veza. A poliacetilen je osnov koji se koristi za dokazivanje da li je računar ispravno izveo kretanje elektrona kroz molekul.
Klasični računari ne mogu da unose izmene u velike molekule zato što su ovi veoma složeni. Primera radi, za stvaranje slike molekule penicilina s 41 atomom, klasičnom računaru je potrebno 10^86 tranzistora - što je "više tranzistora nego atoma u vidljivom svemiru". A za kvantni računar potreban je samo procesor sa 286 kubita (kvantnih bitova).
Kao jedna od mogućih primena kvantnog računara pominje se praćenje veštačke fotosinteze i načina na koji se svetlosna energija pretvara u hemijsku energiju kroz lanac organskih reakcija.

Simulirani povratak u prošlost

Teorijski fizičar Nikolaj Sinicin, čelnik rada na kvantnim računarima koji se odvija u Nacionalnoj laboratoriji “Los Alamos” u Novom Meksiku (SAD), uspeo je da sa saradnicima simulira povratak u prošlost! Naime, oni su kvantne bitove (qubite) “poslali” u simuliranu prošlost, u vreme u kojem je jedan od njih bio značajno oštećen. Kada su ih vratili u sadašnjost, na njima nije bilo promene! To je naučnike navelo na zaključak da su, sve i da je tako nešto  moguće, “otputovali” u prošlost i tamo nešto promenili - ne bi mogli da promene današnji svet. Time su pokazali da u kvantnom svetu nema efekta leptira, što je pojam koji se odnosi na pojavu velike osetljivosti sistema na mala odstupanja od početnih uslova. Ovo je svojevremeno postavljeno pitanjem: može li mahanje krila leptira u Brazilu da pokrene tornado u Teksasu?

Kako pokazuje ovaj eksperiment, efekat leptira, ako se gleda na kvantne pojave, nije stvaran. Ako u složenom kvantnom svetu “pošaljemo” nešto u prošlost i tamo napravimo “promenu”, ona se neće odraziti na sadašnjost, što pokazuje da ovaj efekat u kvantnoj fizici ne postoji. Velika promena nastala u prošlosti stvorila bi samo neznatna odstupanja u sadašnjosti. Ali, ishod pomenutog istraživanja može imati uticaja na kvantnu kriptografiju. Recimo, ako na taj način zaštićene podatke neko ošteti ili delimično uništi, postoji mogućnost da budu spašeni, tj. informacije se mogu izvući uprkos šteti koja je prvom dekripcijom učinjena!
Eksperimenti ovih naučnika obavljani su na kvantnom procesoru računara IBM Q, a naučni rad o tome objavljen je u časopisu Physical Review Letters.

“Eagle” simulirao magnetna svojstva materijala

Prava kvantna nadmoć, u kojoj bi kvantni računari zamenili klasične računare, mogla bi da se pojavi ranije nego što se očekivalo. Kako nedavni IBM-eksperiment pokazuje, kvantni računari bi mogli da nadmaše klasične računare u odgovorima na praktična pitanja u roku od dve godine. U studiji o ovom eksperimentu, objavljenoj u časopisu “Nature”, IBM-ov kvantni računar “Eagle” (127 kubita) simulirao je magnetna svojstva stvarnih materijala brže nego što to može klasični računar. Pri tome je koristio posebni postupak ispravljanja grešaka vezanih za tzv. šum. Inače, šum je svaki spoljni faktor koji utiče na rad kvantnih računara, koji za rad traže veoma stabilno okruženje.
U pomenutom eksperimentu, pomenuti “Eagle” - koristi kubite izgrađene na supravodljivim kolima - izračunao je magnetno stanje dvodimenzionalnog čvrstog tela. A pre četiri godine, istraživači koje je anagažovao “Google” tvrdili su da je njihov kvantni računar “Sicamore” rešio isti problem za 200 sekundi za šta bi običnom računaru bilo potrebno 10.000 godina! Problem koji je rešio, izbacivanje ogromne liste nasumično unetih brojeva dok proverava njihovu tačnost, nije imao praktične koristi.

IBM: računar od 100.000 kubita?

IBM, Gogle i PsiQuantum su već duže vreme sinonimi za napredak na polju računarstva i sada su pred izazovom kako izgraditi nove moćne računare? Nedavno su iz IBM-a najavili plan za izgradnju kvantnog računara od 100.000 kubita, što je veliki napredak u poređenju sa sadašnjim IBM-ovim računarom od 433 kubita. Šta to znači? Za razliku od tradicionalnih računara, sa bitovima za obradu podataka u binarnom formatu (nule i jedinice), kvantni računari koriste kubite koji su i nula i jedinica istovremeno. Ova im omogućava obradu gotovo nemerljivog broja mogućnosti odjednom, što današnjim računarima nije moguće.  
Kvantni svet ima svoje karakteristike. Na primer, kubiti su osetljivi na spoljne uticaje, kao što su promene temperature i prisustvo elektromagnetnih polja, pa to može da izazove greške u računanju. Zbog toga je potrebna velika preciznost i stabilnost da bi se kubiti održali u potrebnom kvantnom stanju. U IBM-u su svesni da za izgradnju kvantnog računara sa 100.000 kubita nije dovoljna samo ogromna količina energije već treba podesiti i upravljanje kubitima. Kako danas stvari stoje, svaki kubit zahteva oko 65 vati za rad, što kvantni računar sa 100.000 kubita čini nerealnim. Zato se ta kompanija okrenula metal-oksid poluprovodničkoj (CMOS) tehnologiji, čime bi trebalo da se smanji količina energije potrebne za kontrolu kubita. 

Da bi se to postiglo, IBM sarađuje sa Univerzitetom u Tokiju i Univerzitetom u Čikagu sa ciljem da se kvantno računarstvo pomakne iz teorije u domen praktične primene. Bitan segment ove inicijative je da se stvore novi stručnjaci za kvantno računarstvo, tj. oni koji mogu da savladaju razliku između fizičara koji stvaraju mašine i programera koji primenjuju neophodne algoritme, čemu je neophodan softver koji će raditi na kvantnim mašinama. 
Tehnički izazovi su ogromni, a inovacije su daleko od danas mogućih. Ipak, i stručnjaci i proizvođači su puni optimizma. Želja da se savladaju tehnički izazovi i dopre do narednih granica računarstva osnov su motivacije koja pokreće čovečanstvo ka sve vidljivoj kvantnoj budućnosti. 

Kvantna apokalipsa

Ako bi se svi skriveni fajlovi u jednom trenu potpuno otvorili, nastala bi tzv. „kvantna apokalipsa". Da bi se to shvatilo, treba imati u vidu da kvantni računari rade na sasvim drugačiji način od računara nastalih u 20. veku. Reč je o mnogo bržim mašinama od svih današnjih. A ovo dalje znači da, pred izuzetno složenim problemima koji zahtevaju vreme - na primer, dekriptovanje gde višestruke permutacije broje više milijardi podataka i radnji - normalnom računaru treba više godina da razbije te enkripcije, ako to uopšte može a kvantni računari bi to, teorijski, mogli da urade za samo nekoliko sekundi! Stručnjaci u Nacionalnom kvantnom računarskom centru u Harvelu, u Oksfordšajru, Velika Britanija, mišljenja su da to može da ima i svoju drugu stranu.
Danas se svakog dana prikupljaju i gomilaju neshvatljive količine enkriptovanih podataka. Sakupljaju se bez naše dozvole i pohranjuju u bankama podataka, i time spremaju za vreme u kojem će kvantni računari kradljivaca podataka biti dovoljno moćni da ih dešifruju. Jer, sve što radimo na internetu, počev od on-line kupovine stvari, bankovnih promena i povezivanja na društvenim mrežama - sve je to enkriptovano. Kada se bude pojavio kvantni računar koji će moći da razbije tu enkripciju… biće odmah u stanju da, u korist onoga ko ga je napravio, očisti bankovne račune i sruši vladine odbrambene sisteme, na primer! Kvantni računari će time obesmisliti većinu postojećih metoda enkripcije i postati pretnja po naše načine života, što zvuči potpuno apokaliptično.       
Šta preduzeti u smisli predostrožnosti? Tehnološki giganti kao što su “Gugl”, “Majkrosoft”, “Intel” i IBM traže rešenja, isto kao i specijalizovane kompanije kao što su “Kvantinum” i “Post-Kvantum”. Ovome u prilog ide i rad na istraživanju post-kvantne kriptografije koji se odvija na Nacionalnom institutu za nauku i tehnologiju (NIST), kod Vašingtona. Prvi cilj je da se uspostavi strategija koja će zaštititi industriju, akademske krugove i osnovne nacionalne infrastrukture od moguće opasnosti kvantne apokalipse, što podrazumeva razvijanje kvantno bezbednih algoritama.

Rad „na neutralne atome“

Prof. dr Vladan Vuletić, sa timom stručnjaka na Univerzitetu MIT (Boston, SAD) pustio je u rad prvi kvantni računar koji koristi neutralne atome. Prelazak na ovu vrstu računara predstavlja prekretnicu u napretku u mnogim oblastima. Recimo, istraživanje lekova i simulacije njihovih uticaja na organizam bez testiranja na ljudima, jedna je od oblasti primene ovih računara u koje su unete inovacije profesora Vuletića.
Pomenuti kvantni simulator može da višestruko brže od svih do sada poznatih računara konfiguriše raspored atoma u dve dimenzije. Računar se nalazi u Bostonu i tri puta nedeljno dostupan je za korišćenje preko platforme “Amazon”. Reč je o računaru koji može da pomogne u izučavanju novih lekova, u isprobavanju tih preparata, u predskazivanju vremena i klimatskih promene, u brojnim drugim oblastima praktičnog života… Za sada, na našim fakultetima prate se  trendovi u oblasti kvantne informatike, pre svega na teorijskom nivou.

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