Utrka je u punom jeku. Vodeće svjetske tvrtke pokušavaju stvoriti prvo kvantno računalo, temeljeno na tehnologiji koja je znanstvenicima dugo obećavala pomoći u razvoju čudesnih novih materijala, savršenom šifriranju podataka i točno predviđanju promjena u Zemljinoj klimi. Takav će se stroj vjerojatno pojaviti najkasnije za deset godina, no to ne zaustavlja IBM, Microsoft, Google, Intel i druge. Oni doslovno dijele kvantne bitove - ili kubite - na procesorski čip, doslovno. No put do kvantnog računanja uključuje mnogo više od manipulacije subatomskim česticama.
Kubit može istovremeno predstavljati 0 i 1, zahvaljujući jedinstvenom kvantnom fenomenu superpozicije. To omogućuje qubitsima istovremeno obavljanje ogromne količine računanja, uvelike povećavajući računsku brzinu i kapacitet. Ali postoje različite vrste qubita i nisu svi stvoreni na isti način. Na primjer, u programiranom silicijskom kvantnom čipu vrijednost bita (1 ili 0) određuje se smjerom rotacije njegovog elektrona. Međutim, kubiti su izuzetno krhki, a nekima su potrebne temperature čak 20 millikelvina - 250 puta hladnije nego u dubokom svemiru - da bi ostali stabilni.
Naravno, kvantno računalo nije samo procesor. Ovi će sustavi sljedeće generacije zahtijevati nove algoritme, novi softver, veze i gomilu tehnologija koje je tek trebalo izmisliti, a koje će imati koristi od kolosalne računalne snage. Osim toga, rezultati izračuna morat će se negdje pohraniti.
"Da nije bilo tako teško, već bismo ga napravili", kaže Jim Clark, direktor kvantnog hardvera u Intel Labs. Na CES-u je ove godine Intel predstavio 49-bitni procesor, kodnog naziva Tangle Lake. Prije nekoliko godina tvrtka je stvorila virtualno okruženje za testiranje kvantnog softvera; koristi moćni superračunalo Stampede (na Sveučilištu u Teksasu) da simulira 42-kbitni procesor. Međutim, kako bi zapravo razumjeli kako napisati softver za kvantna računala potrebno je simulirati stotine ili čak tisuće qubita, kaže Clarke.
Znanstveni Amerikanac intervjuirao je Clarkea o različitim pristupima stvaranja kvantnog računala, zašto su toliko krhki i zašto cijela stvar traje toliko dugo. Bit će vam zanimljivo.
Po čemu se kvantno računanje razlikuje od tradicionalnog računanja?
Promotivni video:
Uobičajena metafora koja se koristi za usporedbu dviju vrsta izračuna je novčić. U tradicionalnom računalnom procesoru, tranzistor je ili glava ili repovi. Ali ako pitate na kojoj je strani novčić okrenut dok se vrti, reći ćete da odgovor može biti i jedno i drugo. Tako funkcionira kvantno računanje. Umjesto uobičajenih bitova koji predstavljaju 0 ili 1, imate kvantni bit koji istovremeno predstavlja i 0 i 1 dok se qubit ne prestane vrtjeti i pređe u stanje mirovanja.
Državni prostor - ili sposobnost ponavljanja preko ogromnog broja mogućih kombinacija - eksponencijalna je u slučaju kvantnog računala. Zamislite da u rukama imam dvije kovanice i da ih istodobno bacam u zrak. Kako se okreću, oni predstavljaju četiri moguća stanja. Ako bacim tri novčića u zrak, oni predstavljaju osam mogućih stanja. Ako bacim pedeset novčića u zrak i pitam vas koliko stanja predstavljaju, odgovor je broj koji čak ni najmoćniji superračunalo na svijetu ne može izračunati. Tristo novčića - i dalje relativno mali broj - predstavljat će više stanja nego atoma u svemiru.
Zašto su kubiti tako krhki?
Stvarnost je da se novčići ili kockice s vremenom prestanu vrtjeti i kolabirati u određeno stanje, bilo da su to glave ili repovi. Cilj kvantnog računanja je dulje vrijeme zadržati ga u superpoziciji u nizu stanja. Zamislite da se novčić vrti na mom stolu i da netko gura stol. Novac može pasti brže. Buka, promjene temperature, električne fluktuacije ili vibracije mogu sve ometati rad qubita i dovesti do gubitka njegovih podataka. Jedan od načina za stabilizaciju određenih vrsta kubita je njihovo hlađenje. Naši kubiti rade u hladnjaku veličine 55 galona i koriste poseban izotop helija za hlađenje na gotovo apsolutnu nulu.
Po čemu se različite vrste qubita međusobno razlikuju?
Ne postoji manje od šest ili sedam različitih vrsta qubita, a otprilike tri ili četiri aktivno se razmatraju za upotrebu u kvantnim računalima. Razlika je u načinu na koji možete manipulirati quitima i učiniti ih da komuniciraju jedni s drugima. Potrebna su vam dva qubita za međusobnu komunikaciju kako biste izvršili velike "zapletene" proračune, a različite se vrste qubita mogu isprepletati na različite načine. Tip koji sam opisao i zahtijeva ekstremno hlađenje naziva se nadprovodni sustav, koji uključuje naš procesor Tangle Lake i kvantna računala koje su izgradili Google, IBM i drugi. Ostali pristupi koriste oscilirajuće naboje zarobljenih iona - koje u vakuumskoj komori drže laserske zrake - koji djeluju kao kubiti. Intel ne razvija ionske sustave zato što zahtijeva duboko poznavanje lasera i optike,mi to ne možemo.
Međutim, proučavamo treći tip, koji nazivamo silikonski centrifugi. Izgledaju upravo poput tradicionalnih silicijskih tranzistora, ali djeluju na jedan elektron. Spin-kiti koriste mikrovalne impulse za kontrolu spina elektrona i oslobađanje njegove kvantne sile. Ova je tehnologija danas manje zrela od superprevodne qubit tehnologije, no vjerojatno je vjerovatno da će se razmjeriti i postati komercijalno uspješna.
Kako doći do ove točke odavde?
Prvi korak je napraviti ove kvantne čipove. Istovremeno smo izvršili simulacije na superračunalu. Da bi se pokrenuo Intelov kvantni simulator, potrebno je oko pet trilijuna tranzistora za simulaciju 42 kubita. Za komercijalni doseg potreban je milijun kubika ili više, ali započinjući simulatorom poput ovog može izgraditi osnovnu arhitekturu, prevoditelje i algoritme. Sve dok ne budemo imali fizičke sustave koji će uključivati od nekoliko stotina do tisuću qubita, nije jasno kakav softver možemo pokrenuti na njima. Postoje dva načina za povećanje veličine takvog sustava: jedan je dodati više qubita, što će zahtijevati više fizičkog prostora. Problem je u tome što ako nam je cilj izgraditi računala s milijun kubika, matematika im neće dopustiti da dobro razmjeravaju veličinu. Drugi je način komprimiranje unutarnjih dimenzija integriranog kruga, ali ovaj pristup bi zahtijevao supravodljivi sustav, koji mora biti ogroman. Spin qubits je milijun puta manji, pa tražimo druga rješenja.
Pored toga, želimo poboljšati kvalitetu qubita, što će nam pomoći da testiramo algoritme i izgradimo naš sustav. Kvaliteta se odnosi na točnost s kojom se informacije komuniciraju tijekom vremena. Iako će se mnogim dijelovima takvog sustava poboljšati kvaliteta, najveći dobitci doći će od razvoja novih materijala i poboljšanja točnosti mikrotalasnih impulsa i ostale elektronike za upravljanje.
Nedavno je američko Pododbor za digitalnu trgovinu i zaštitu potrošača održao saslušanje o kvantnom računanju. Što zakonodavci žele znati o ovoj tehnologiji?
Postoji nekoliko rasprava povezanih s različitim odborima. Ako uzmemo kvantno računanje, možemo reći da su to računalne tehnologije za narednih 100 godina. Jedino je prirodno da su se Sjedinjene Države i druge vlade zainteresirale za svoju priliku. Europska unija ima plan za više milijardi dolara za financiranje kvantnih istraživanja diljem Europe. Kina je prošle jeseni najavila istraživačku bazu od 10 milijardi dolara koja će se usredotočiti na kvantnu informatiku. Postavlja se pitanje što možemo učiniti kao država na nacionalnoj razini? Nacionalnu strategiju za kvantno računanje trebale bi voditi sveučilišta, vlada i industrija, radeći zajedno na različitim aspektima tehnologije. Standardi su definitivno potrebni u pogledu komunikacije ili softverske arhitekture. Rad je također problem. Ako otvorim konkurs za stručnjaka za kvantno računarstvo, dvije trećine podnositelja zahtjeva vjerojatno će biti izvan SAD-a.
Kakav utjecaj kvantnog računanja može imati na razvoj umjetne inteligencije?
Prvi predloženi kvantni algoritmi obično će se usredotočiti na sigurnost (npr. Kriptografsko) ili kemiju i modeliranje materijala. Riječ je o problemima koji su u osnovi netopljivi za tradicionalna računala. Međutim, postoje tone startupa i skupina znanstvenika koji rade na strojnom učenju i AI uvođenjem kvantnih računala, čak i teorijskih. S obzirom na vremenski okvir potreban za razvoj AI, očekivao bih tradicionalne čipove optimizirane posebno za AI algoritme, što će zauzvrat imati utjecaja na razvoj kvantnih čipova. U svakom slučaju, AI će definitivno potaknuti kvantno računanje.
Kada ćemo vidjeti kako kvantna računala rješavaju probleme u stvarnom svijetu?
Prvi tranzistor stvoren je 1947. Prvi integrirani sklop bio je 1958. godine. Intelov prvi mikroprocesor - koji je sadržavao oko 2.500 tranzistora - izašao je tek 1971. godine. Svaka od ovih prekretnica razdvojena je više od desetljeća. Ljudi misle da su kvantna računala negdje iza ugla, ali povijest pokazuje da je za napredak potrebno vrijeme. Ako za 10 godina imamo kvantno računalo s nekoliko tisuća qubita, to će definitivno promijeniti svijet baš kao što je to učinio prvi mikroprocesor.
Ilya Khel