ELEKTRONIKA
Jelena Marjanović
U svetu kjubita
Moć kvantnih računara
Kada je, četrdesetih godina, stvoren prvi računar, procene su bile da će takvih moćnih i glomaznih mašina svetu biti potrebno najviše pet. Osamdeset godina kasnije, jedna prosečna porodica ima najmanje pet personalnih računara, računajući tu i mobilne telefone, a ne računajući uređaje koji koriste računarske procesore da bi nam oprale veš, podesile sliku na TV aparatu ili izračunale potrošnju benzina u automobilu. Računari su postali daleko moćniji i daleko manji. A da bi postali još moćniji, moraju se još smanjiti. Teorijski, smanjivali bi se sve dok pojedini elementi ne postanu veličine nekoliko atoma, a to znači da postoje granice u njihovom razvoju na koje će se naići u ne tako dalekoj budućnosti.
Kada se uplovi u svet veoma malog, u svet molekula i atoma, počinju da važe zakoni kvantne mehanike kojih mi u makro svetu nismo svesni, a po kojima se čestice ponašaju nepojmljivo drugačije od onoga na šta smo navikli, i što se može objasniti samo jezikom matematike i fizike.
U tom svetu malog, čestice više nisu samo čestice, one mogu da budu i materijalne čestice i energija istovremeno. U tom svetu izrazi “jeste” i “nije” više se ne koriste, a umesto toga govorimo o verovatnoći da nešto jeste ili nije. A zapravo, može biti i oba istovremeno. Tu “neodređenost” dobija titulu principa i, po Hajzenbergovom principu neodređenosti, jednoj čestici ne možemo istovremeno odrediti i energiju i poziciju (što je vrlo frustrirajuće za kvantne fizičare). Dve čestice se mogu uvezati na način da promena na jednoj čestici istovremeno izaziva promenu na drugoj, bez obzira koliko udaljene one bile, a to dejstvo na daljinu sablasno je delovalo i samom Ajnštajnu.
U dva stanja istovremeno...
Neobične osobine čestica koje se povinuju zakonima kvantne mehanike izvor su moći kvantnih računara. Kod svih “običnih” računara sa kojima se svakodnevno srećemo, čija tehnologija je bazirana na poluprovodničkim tranzistorima, osnovna jedinica informacije je jedan bit, koji može biti ili nula ili jedinica. Uz pomoću nizova nula i jedinica, mogu se opisati sve potrebne operacije i podaci koje će procesor računara “sažvakati” i predstaviti nam u vidu teksta, videa ili interaktivne igrice.
Kod kvantnih računara, nosilac informacije je predstavnik kvantnog sveta, sa svim svojim neobičnim svojstvima. Koristeći ta svojstva i odgovarajuće algoritme, mogućnosti za računanje se dramatično povećavaju. Jedinica informacije koju obrađuje kvantni računar naziva se kjubit, a njeno najvažnije svojstvo je da može istovremeno da bude u dva stanja, istovremeno da bude i nula i jedinica.Otprilike kao da imamo novčić koji smo pažljivo postavili na sto tako da stoji na svojoj tankoj ivici i svakog trenutka može da padne na jednu ili drugu stranu. To stanje kjubita naziva se superpozicija. Mi nećemo znati koje je njegovo stanje sve dok ga u nekom trenutku ne izmerimo.
Kad lupimo rukom o sto, novčić pada na stranu i mi znamo rezultat. Slično se dešava kada izmerimo kjubit. Verovatnoća “na koju će stranu pasti” se utiskuje u njega prilikom nastanka. Sam kjubit tog trenutka nestaje, a ostaje informacija da je očitana nula ili jedinica. Merenje se ponavlja veliki broj puta da bi na taj način utvrdili verovatnoću koju kjubit nosi u sebi.
Šta je zapravo kjubit
Bitovi, koji predstavljaju osnovu našeg digitalnog sveta, u fizičkom smislu su električni impulsi. Lako ih je napraviti i njihova primena je jednostavna. Kad su kjubiti u pitanju, situacija je daleko složenija. Da bi dobili jedan kjubit, potrebno je da imamo objekat kod kojeg može da se ostvari superpozicija dva fizička stanja. Google i IBM su svoje kvantne računare bazirali na kjubitima koji se stvaraju u superprovodnim električnim kolima, ohlađenim na temperature niže od onih u međuzvezdanim prostranstvima dubokog svemira. Pravac kretanja struje kroz kolo određuje stanje kjubita. Neke druge kompanije koriste izolovane pojedinačne atome u elektromagnetnom polju, u ultra visokom vakuumu, gde stanje kjubita određuje njihov spin.
Kako god da se kjubit realizuje potrebno je obezbediti da ima izolovano kvantno stanje i da njegova svojstva možemo da kontrolišemo. Najmanje promene u spoljašnjoj sredini, bilo temperature ili elektromagnetnog polja, ili prisustvo atoma nečistoće u materijalu - sve to ima veliki uticaj na kjubit i može dovesti do greške. Takve greške predstavljaju kvantni šum i veliki su problem u radu kvantnih računara danas.
Iz tog razloga i potreba za ekstremnim uslovima rada, na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, gde skoro da prestaje haotično toplotno kretanje čestica ili ultra visoki vakuum u kojem praktično nema ničega što bi uticalo na kjubit.
U klasičnom računaru bitovi se procesiraju kroz poluprovodnička tranzistorska logička kola. Pandan tome kod kvantnih računara su različite kvantne kapije kroz koje kjubiti prolaze, u nekima od njih se uvezuju sa drugim kjubitima, a posebni algoritmi koriste njihova kvantna svojstva da dođu do rezultata daleko brže nego obični računari. Jedan od primera tog ubrzanja je način na koji se vrši pretraga. Kada klasičnim računarom želimo da pronađemo nešto upisano u memoriji, algoritam koji se izvršava u njegovom procesoru mora da proverava “stavku po stavku” sadržaj svih memorijskih pozicija, sve dok ne dođe do one u kojoj je traženi sadržaj. Svaki upis u memoriju, svaki sadržaj, predstavljen je jednim nizom nula i jedinica i predstavlja jedno stanje. Iščitavanje jednog po jednog stanja iz memorije ima svoje trajanje, koliko god računar bio brz. Kvantni računar, međutim, može da očita više stanja odjednom i na taj način daleko brže izvršava pretragu.
Kvantna nadmoć
Teorijski gledano, brzine koje se očekuju od kvantnih računara trebalo bi da budu čak milijardu puta veće od brzina najbržih superkompjutera koje je moguće napraviti sa tehnologijama koje su u širokoj primeni danas. “Google” je, pre godinu dana, sa ponosom objavio da je sa svojim Sycamorekvantnim računarom koji koristi 54 kjubita rešio jedan vrlo specifičan matematički problem za svega 200 sekundi, dok bi najbržem superkompjuteru za isti zadatak, po njihovom proračunu, bilo potrebno 10.000 godina, što znači da je dostigao beočug koji se naziva kvantna nadmoć (quantum supremacy). Istog dana se oglasio njihov glavni takmac u razvoju kvantnih računara “IBM” sa demantijem ove vesti, uz komplikovano naučno objašnjenje da bi “običnom” superkompjuteru zapravo trebalo samo 2,5 dana za isti zadatak tako da, sa njihove tačke gledišta, do kvantne nadmoći tek treba stići.
U svakom slučaju, čini se da je razvoj kvantnih računara na dobrom putu. Potrebno je još mnogo rada na razvoju hardvera, jer se aktuelna rešenja još uvek bore sa velikim greškama u radu. Za sada se ne očekuje da će kvantni računari zameniti obične računare u svakodnevnom životu, već da ćemo njihovu nadmoć koristiti za specijalne zadatke koje ne možemo niti ćemo u budućnosti moći da obavimo sa računarima baziranim na tehnologijama koje sada imamo.
Sredstvo za brojna rešenja
Kada je 1982. godine, legendarni fizičar Ričard Fejnman prvi put izneo ideju o kvantnom kompjuteru, video ga je pre svega kao napravu uz pomoć koje ćemo moći da uspešno modelujemo atome i njihove međusobne veze u molekulima, što bi nam omogućilo da bolje razumemo njihova svojstva i ponašanje materijala koje oni čine. Kvantni računar je, po svojoj prirodi, predstavljao logično rešenje za ovaj zadatak, jer bi kvantne pojave na nivou molekula i atoma modelovali uz pomoć kvantnog sistema. Manje od četrdeset godina kasnije ova ideja postaje stvarnost. Danas auto gigant “Daimler” koristi kvantne računare za simulaciju i poređenje hemijskih jedinjenja u potrazi za onim koje će najviše unaprediti rad baterija za električne automobile. Farmaceutska industrija takođe polaže velike nade u kvantne računare uz pomoć kojih će moći brže i jeftinije da dođe do novih lekova, jer bi simulacija ponašanja molekula aktivnih supstanci u lekovima mogla značajno da skrati vreme provedeno u laboratoriji u eksperimentima tipa “probaj dok ne pogodiš ono pravo”.
Sledeća važna oblast primene je analiza velike količine podataka. Matematički modeli koje koristimo da opišemo neku pojavu ili sistem onoliko su tačni koliko različitih promenljivih uzimamo u obzir prilikom proračuna. Kada se opisuju izuzetno složeni sistemi - kao u meteorologiji, na primer - neophodno je ograničiti broj promenljivih i količinu podataka koje posmatramo, jer računari ne mogu dovoljno brzo da ih sve obrade kako bi nam dali približno tačnu vremensku prognozu. Kada bismo, uz pomoć kvantnih računara, mogli da uzmemo u obzir mnogo veće količine podataka i pratili više parametara, mogli bismo da dobijemo izuzetno tačne prognoze ne samo vremena već i ponašanja kompletne klime.
U industriji se kvantni računari koriste za optimizaciju: “Airbus” ih koristi za proračun optimalnih putanja za uzletanje i sletanje aviona kako bi se smanjila potrošnja goriva, “Volkswagen” za pronalaženje optimalnih ruta za gradske autobuse ili taksi vozila kako bi se izbegle saobraćajne gužve, a “JP Morgan” za predikciju vrednosti akcija na berzi.
Čarobna reč “qiskit”
Kvantni računari su postali noćna mora za sve one kojima je tajnost informacije od presudnog značaja, jer ne postoji šifra koja se danas koristi, a koju oni ne bi mogli da razbiju. Zato se kriptografi već godinama pripremaju za dan kada će neko iskoristiti kvantni algoritam za razbijanje šifara.
Izgled nekih kvantnih računara danas podseća na nekakvu ogromnu steampunk meduzu, sa gomilom kablova koji vise ispod zaobljenog tela metalne zveri, pa je teško zamisliti da bi tu tehnologiju jednog dana mogao da koristi neki uređaj u našem domu ili komunikacioni uređaj na ručnom zglobu, na primer. Ali je sasvim izvesno da će njihova primena moći da popravi svet u kojem živimo na mnogo načina. A za one koji žele da se poigraju sa kjubitima već danas, “IBM” je omogućio pristup svom kvantnom računaru preko Interneta. Za radoznale, čarobna reč je “qiskit”.
Jelena Marjanović
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
