Kvantna trka postaje uzbudljiva
Dokle smo stigli s kvantnim računarstvom? Do rezultata će nas najverovatnije dovesti veliki „troboj“ koji vode IBM, Intel i Google.
Poslednjih godina sve više se govori o kvantnim računarima koji će zameniti klasične. S obzirom na vrlo velike potencijalne mogućnosti primene kvantnih računara koji mogu obavljati znatno više operacija od klasičnih, istraživački timovi mnogih institucija i kompanija bave se razvojem kvantnih procesora. Moglo bi se reći da je, kao i u mnogim drugim oblastima, i u kvantnom računarstvu nastala svojevrsna trka konkurenata, a tri najznačajnija učesnika u toj trci su IBM, Intel i Google.
Kvantni sistemi
Na ideju o kvantnim računarima prvi je došao američki fizičar i nobelovac Richard Feynman još 1982. godine. Njihov princip rada zasniva se na kvantnim svojstvima čestica, koje imaju jednostavnu sposobnost superpozicije, odnosno na činjenici da jedna čestica u jednom trenutku može biti u više stanja sve dok ne delujemo nekom spoljašnjom silom na nju.
Za razliku od klasičnih računara, kod kojih je elementarna količina informacija bit, osnovna količina informacija kod kvantnih računara je kvantni bit ili kubit. Bit ima dve moguće vrednosti (0 i 1), dok kubit može imati vrednost 0, 1 ili obe istovremeno. U odnosu na klasičan računar, rast kapaciteta i brzine kvantnog računara je eksponencijalan. Ako, na primer, klasičan računar izvršava n operacija u nekom intervalu, sa istim brojem kubita na kvantnom računaru teorijski bi se moglo izvršiti 2n operacija.
Ovako realizovani kvantni računari zapravo su kvantni sistemi po funkciji, a ne po strukturi. Osim sposobnosti superpozicije, karakteriše ih diskretnost energije, kvantna spletenost i efekat tunelovanja. Kubiti se uglavnom realizuju na bazi superprovodnih materijala.
IBM – od kubita do oblaka
U IBM‑u se na razvoju kvantnog računarstva radi već više od 35 godina. Pri realizaciji kvantnog procesora najpre se krenulo od jednog kubita, a dalja istraživanja dovela su do prvog značajnijeg ostvarenja – kvantnog procesora s čak pet superprovodnih kubita (maja 2016. godine). Tada je prvi put pokrenuta IBM‑ova cloud platforma za slobodno korišćenje kvantnog procesora s bilo kakvog stonog ili mobilnog uređaja. Platforma je dobila novi naziv IBM Quantum Experience i omogućava studentima, naučnicima i svim entuzijastima širom sveta da istražuju mogućnosti kvantnog računarstva.
Još značajniji napredak u razvoju kvantnih procesora IBM je napravio maja 2017. godine. Tada su prikazana i uspešno testirana dva prototipa, jedan za buduća naučna istraživanja u oblasti kvantnog računarstva (sa 16 kubita), a drugi namenjen komercijalnoj primeni.
IBM‑ovi kvantni procesori zasnovani su na vrlo izdržljivim materijalima, što je omogućilo obavljanje na stotine kvantnih eksperimenata u naučnim istraživanjima. Napravljena je snažna platforma za rešavanje praktičnih problema u naučnom i poslovnom svetu. Njoj je pridodat i kvantni procesor sa 20 kubita u novembru 2017. Tada je, istovremeno, prikazano i najnovije kvantni procesor sa 50 kubita, koji je u tom trenutku predstavljao procesor s najviše kubita.
“Hladna jezera“ iz Intel‑a
U januaru 2018. u kvantnu trku se uključuje novo ostvarenje približno istog potencijala – kvantni procesor s 49 kubita, nastao u Intel‑ovim laboratorijama. Intel‑ov novi kvantni procesor, prikazan na Sajmu potrošačke elektronike CES 2018, naziva se Tangle Lake, a ime je dobio po lancu jezera na hladnoj Aljasci.
Tangle Lake predstavlja značajan napredak u Intel‑ovom razvoju kvantnih procesora, počev od arhitekture do algoritama za kontrolu elektronike. Osim ovih superprovodnih kubita, Intel istražuje i tzv. spin kubite u silicijumu. Oni su mnogo manjih dimenzija, slični su konvencionalnim elektronskim tranzistorima i potencijalno se mogu proizvoditi postojećim silicijumskim procesima.
Prototip ne podrazumeva odmah i moguću komercijalnu primenu, ali je evidentno da će Tangle Lake biti snažniji od IBM‑ovih kvantnih procesora sa 17 i 20 kubita koji su već komercijalizovani. Može se reći da je po performansama Tangle Lake ravan današnjim najsnažnijim superkompjuterima. Teoretski, kvantni računari sa 49 kubita mogu nadmašiti trenutno najsnažniji superkompjuter u svetu kineski Sunway TaihuLight, sa 93,01 petaflopsa u sekundi.
Google – rekordna 72 kubita
U martu 2018. godine u kvantnu trku ulazi i Google s rekordna 72 kubita. Kvantni procesor Bristlecone trenutno je najsnažniji u svetu, a predstavljen je na redovnom godišnjem sastanku američke fizičke asocijacije American Physical Society u Los Anđelesu. Procesor je napravljen u Google‑ovoj kvantnoj laboratoriji za veštačku inteligenciju (Quantum AI Lab), koja je formirana 2013. godine. Zapravo, Google se udružio sa agencijom NASA na razvoju tehnologija povezanih sa mašinskim učenjem, pa su zajedno oformili QAI Lab.
Prethodni Google‑ov kvantni procesor imao je devet kubita i on je poslužio kao osnova za dizajn 72‑kubitnog Bristlecone‑a. Iskorišćena je ista šema za spajanje, kontrolu i očitavanje, ali je formirana struktura u obliku kvadratne matrice sa 72 kubita. Cilj Google‑ovog istraživačkog tima jeste da sistem od 72 kubita dostigne istu stopu greške koju je imao 9‑kubitni sistem i da se na taj način usvoji princip izgradnje mnogo većih kvantnih računara.
Problemi kvantnih sistema
Kvantni kompjuteri će se, za početak, koristiti za rešavanje složenih problema kojima se danas bave superkompjuteri. U naučnim krugovima očekuje se da će biti potrebno pet do sedam godina da ostvare široku komercijalnu primenu. Smatra se da će sa otprilike 100 kubita oni biti moćniji od najsnažnijih današnjih superkompjutera.
Kod kreiranja kvantnih procesora nije dovoljno samo težiti što većem broju kubita kako bi se rešavali što složeniji matematički zadaci. Pritom se pojavljuju mnogi problemi jer su kubiti vrlo osetljivi na uticaj spoljnih fluktuacija koje mogu da izazovu greške u čitavom proračunu. Kod računara većih dimenzija od nekoliko kubita sposobnost superpozicije se gubi kad na sistem deluje i najmanja sila iz spoljašnje sredine.
Da bi se prevazišao taj problem, Google‑ova laboratorija Quantum AI Lab razvila je tehniku korekcije kvantne greške (QEC – Quantum Error Correction) i prikazala je u sistemu s devet kubita. Ona proverava kombinaciju podataka i merenje kubita, omogućavajući sistemu da indirektno meri informacije. Problem se može prevazići i korišćenjem drugih vrsta materijala, kao što je dijamant. Prvi takav računar napravila je kalifornijska nacionalna laboratorija (SNL – Sandia National Laboratory) oktobra 2016. godine.
Predstoji još mnogo rada i izazova za sve učesnike u kvantnoj trci, a novi konkurent koji se (neočekivano?) pojavio na startu, kompanija Microsoft, će trku učiniti još zanimljivijom.
Nadežda Veljković
