O kvantnim računalima slušamo barem nekoliko godina. Ali što je to? Čemu služi kvantno računalo? Danas je sve o tome jednostavnim riječima.
Kvantni Računalo je izum u koji mnogi istraživači polažu velike nade očekujući da će pozitivno utjecati na razvoj znanosti. Međutim, vrlo je teško razumjeti kako kvantna fizika funkcionira. Neki fizičari čak sumnjaju treba li se sadašnja "kvantna računala" tako zvati. Najveća prepreka u korištenju kvantnog računalstva je velik broj pogrešaka na koje utječu i najmanje promjene u okruženju kvantnih strojeva. Do sada još nismo uspjeli u potpunosti i na zadovoljavajući način iskoristiti potencijal kvantnih bitova. Danas ćemo pokušati saznati što je posebno u tim kvantnim bitovima?
Postoje li kvantna računala?
Bit svakog pravog znanstvenika je ne vjerovati i stalno provjeravati. Upravo sam se tih riječi sjetio još kao student. I više puta se uvjerio u ispravnost ove fraze. To vrijedi i za "kvantna računala". Zašto sam citirao nazive ovih računala? Hajde da vidimo.
Kvantna računala su vrlo složena tema, no pokušat ću je učiniti što jednostavnijom i govoriti o njima na pristupačan način. Čak i danas znanstvenici, fizičari i inženjeri mogu raspravljati o naizgled jednostavnom pitanju postoji li negdje u svijetu kvantno računalo koje radi. “Ali kako se, uostalom, tvrtke poput IBM-a hvale kvantnim računalima!” – možda će netko reći. I bit će u pravu. Ostaje otvoreno pitanje je li IBM doista stvorio kvantno računalo ili je svoj uređaj jednostavno nazvao “kvantnim računalom”.
Kad me netko od prijatelja zamoli da jednostavnim riječima objasnim po čemu se kvantna računala razlikuju od računala na koja smo navikli, obično se poslužim jednostavnom usporedbom. Ako su naša klasična računala (kao npr PC, prijenosna računala i pametnih telefona) su svijeće, onda su kvantna računala žarulje. Namjena oba je ista – za žarulje sa žarnom niti i svijeće to je emisija svjetlosti, a za računala za izračune. Međutim, u oba slučaja cilj se postiže potpuno drugačije i rezultat je drugačiji. Jednostavno, kvantno računalo nije samo poboljšana verzija modernih računala, kao što ni žarulja nije samo veća svijeća. Ne možete stvoriti žarulju radeći sve bolje i bolje svijeće. Žarulja je drugačija tehnologija, na temelju dubljeg znanstvenog razumijevanja. Isto tako, kvantno računalo je nova vrsta uređaja temeljena na kvantnoj fizici, a baš kao što je žarulja promijenila društvo, kvantna računala mogu utjecati na mnoge aspekte naših života, uključujući sigurnosne potrebe, zdravstvenu skrb, pa čak i internet.
Dakle, ako se držimo usporedbe računala sa žaruljama, onda se još nije pojavio "kvantni Joseph Swan" (tvorac prve funkcionalne žarulje sa žarnom niti), a do sada znanost pokušava, jednostavnim riječima, napraviti "nešto crveno i vruće" provjeravajući koliko svijetli. Znamo neke od teoretskih osnova o tome kako kvantna računala rade, ali postoje ogromne prepreke za njihov razvoj koje još uvijek čekaju na rješavanje.
Istraživački centri i tvrtke diljem svijeta provode daljnja testiranja i istraživanja, a stručnjaci iz područja kvantne fizike slažu se da će stvaranje potpuno funkcionalnih kvantnih strojeva koje možemo koristiti za postizanje ciljeva koje je u ovoj fazi nemoguće postići očito će prijeći desetke godina.
Vjerujem, a sa mnom će se složiti i mnogi znanstvenici, da strojevi koji se trenutno nazivaju kvantnim računalima uopće ne zaslužuju takav naziv. Nedostaje im sposobnost izračunavanja ili rješavanja problema koje mi ne možemo riješiti na normalan, klasičan način.
Još uvijek nismo dosegli toliki stupanj tehnološkog razvoja da bismo mogli stvoriti kvantni stroj koji bi rješavao probleme koji su trenutno nedostupni klasičnim računalima. Naravno, Google ili IBM govore o nekim izvedenim izračunima koje bi bilo teško izvesti na klasičan način, ali u ovom trenutku nisu uvjerljivi.
Pročitajte također: Kina je također željna istraživanja svemira. Pa kako im ide?
Što je kvantum?
Što je uopće "kvantum"? To nije fizički objekt. Pojam "kvant" koristi se u fizici za opisivanje najmanjeg mogućeg djelića nečega. Dakle, možete imati "kvant sile", "kvant vremena" ili "kvant čestice". Na tom putu doći ćemo do pojmova kao što su "kvantna fizika" i "kvantna mehanika", odnosno grana znanosti koje se bave najmanjim mogućim interakcijama ili sustavima - na razini atoma, pa čak i pojedinačnih kvarkova.
A sada smo stigli i do qubita (kvantnog bita), odnosno do “najmanje i nedjeljive jedinice kvantne informacije”. Ujedno dolazimo i do prve točke koja nam govori o sličnostima i razlikama u tome kako klasična računala (koristeći bitove) i kvantna računala (koristeći qubit) izvode proračune.
U klasičnim računalima svaki podatak pohranjuje se kao niz jedinica i nula. Takve informacije percipiraju i interpretiraju računalo, konzola, pametni telefon, pametni sat i pametni TV, slično operacijama koje se izvode na ovim informacijama. Bilo da gledamo fotografije s odmora, razgovaramo s prijateljima, igramo najnoviju igricu ili izvodimo napredne kriptografske izračune, sve se događa u binarnom sustavu u kojem postoje 0 ili 1 i ništa drugo. Zapravo, to je više kao klasično da ili ne.
Koliko je ovaj sustav neučinkovit, vidi se kada dođemo do njegovih granica. I bez obzira na to da li nam na pametnim telefonima ponestaje prostora za još jedan selfie ili znanstvenici pokušavaju stvoriti matematičke modele razvoja pandemije, problem je što ima previše nula i jedinica, i resursa za njihovo pohranjivanje i snage za izračunati ih nisu dostupni.
Qubit rješava ovaj problem. Ovaj podatak koristi svojstva kvantne fizike koja mu omogućuju da ostane u takozvanoj superpoziciji. Qubit može poprimiti bilo koju vrijednost između 0 i 1. Ima svojstva cijelog spektra i može imati vrijednosti kao što su 15 posto nula i 85 posto jedan. Teoretski, to vam omogućuje da spremite mnogo više informacija ili ubrzate izračune. Ali u isto vrijeme javlja se puno problema koje je teško kontrolirati, pa čak i razumjeti.
Još jedna značajka kvantnih računala, koja omogućuje dodatno skaliranje računalne snage, je korištenje kvantne isprepletenosti. Ovo je stanje u kojem su dva qubita povezana jedan s drugim, i svaki put kada promatramo jedan od njih, drugi će biti u potpuno istom stanju. Isprepletenost omogućuje grupiranje kubita u još učinkovitije jedinice za snimanje i obradu informacija.
Pročitajte također: Tko su biohakeri i zašto se dobrovoljno čipiraju?
Kvantna oprema
Kvantno računalo sastoji se od tri glavna dijela: područja za pohranjivanje qubita, metode za prijenos signala do qubita i klasičnog računala za pokretanje programa i slanje instrukcija.
Kvantni materijal koji čini kubite delikatan je i iznimno osjetljiv na utjecaje iz okoliša. Za neke metode pohrane kubita, jedinica u kojoj se nalaze kubiti drži se na temperaturi blizu apsolutne nule kako bi se maksimizirala njihova koherencija. Druge vrste pohrane kubita koriste vakuumsku komoru za smanjenje vibracija i stabilizaciju kubita.
Postoje različite metode prijenosa signala do kubita, poput mikrovalova, lasera i električnog napona.
Da bi se uspostavio normalan rad kvantnih računala, potrebno je riješiti mnoge probleme. Glavni problem s kvantnim računalima je ispravljanje pogrešaka, a skaliranje (dodavanje više kubita) dodatno povećava njihovu učestalost. Zbog ovih ograničenja, kvantno osobno računalo na vašem stolu još uvijek je daleka budućnost, ali komercijalna kvantna računala mogla bi postati dostupna u bliskoj budućnosti. Razgovarajmo o ovome detaljnije.
Problemi kvantnih računala
Međutim, kvantna računala imaju jedan veliki problem. Odnosno, znanstvenici imaju ogroman problem s njihovom upotrebom, jer, zahvaljujući svojim posebnim svojstvima, kubiti trebaju dovoljno mirno okruženje da bi mogli precizno očitati bilo kakve podatke iz njih. Svaki, pa i najmanji prekršaj onemogućit će točno čitanje informacija.
U slučaju klasičnih računala, sličan je problem također igrao važnu ulogu u prošlosti, ali danas je toliko beznačajan da se često zanemaruje čak iu akademskoj znanosti. Govorimo o stopi pogreške. To je pokazatelj koji određuje koji udio bitova ili kubita informacija može biti oštećen. To se može dogoditi npr. u trenutku prenapona ili drugih smetnji.
Za klasične uređaje vjerojatnost pogreške je otprilike jedan prema 1017 malo U slučaju kvantnih računala, ovo je još uvijek jedno od nekoliko stotina. I to u situaciji kada kvantna računala rade u najizoliranijim uvjetima i na temperaturi od -272 Celzijeva stupnja, dakle malo iznad apsolutne nule. Bilo kakve temperaturne fluktuacije, promjene u elektromagnetskom polju, pa čak i kretanje uništavaju cijeli izračun.
Drugi problem je "nestabilnost" kvantnih stanja. Svaki put kad mjerimo ili želimo poremetiti kvantno stanje, ono se vraća u jedan od dva položaja, nula i jedan. U tom slučaju će se kvantno stanje raspasti. Taj se proces naziva kvantna dekoherencija.
Zamislite to ovako: kvantno računalo je vješt matematičar koji izvodi složene izračune, a njegovi rezultati su između 0 i 1 milijuna. Mi smo pak dijete koje jedino razumije da nečega može biti previše ili premalo. Kad god matematičar može imati različite rezultate, kao što je 356 670,23 ili 1 846 662, prema našem razumijevanju svijeta svaki od ovih rezultata bi se klasificirao kao nekoliko (0) ili mnogo (1), bez definiranja posebne razlike između ta dva. Ovo je kvantna dekoherencija. Jedini način da napravite ispravan izračun je jamčiti matematički rad prije nego što se završi.
Pročitajte također: Što će Perseverance i Ingenuity raditi na Marsu?
Za što ćemo koristiti kvantna računala?
Danas se postavlja pitanje čemu mogu poslužiti kvantna računala, kao i prije 20 godina, čemu može poslužiti pametni telefon. Naravno, već postoje neki planovi i pretpostavke, ali najzanimljiviji pravci korištenja qubita vjerojatno će postati jasni kada kvantna računala postanu široko rasprostranjena.
Kriptografija je jedno od najpopularnijih područja gdje se kvantno računalstvo najčešće koristi. Stvar je u tome što će to biti metoda prijenosa informacija na vrlo siguran način, a sigurnost se ne temelji na složenosti računalnih procesa, već na zakonima fizike, koji će ulijevati povjerenje da su neke stvari jednostavno nemoguće. I u ovom trenutku bit će nemoguće slušati, špijunirati, hakirati.
Sigurnost je u ovom slučaju zajamčena samim fizičkim svojstvima kubita, koji, kao što sam ranije objasnio, prestaju pokazivati značajke superpozicije čim se promatraju. Dakle, svaki pokušaj presretanja ili čak kopiranja kodirane poruke jednostavno će je uništiti.
Kvantna računala također nam mogu omogućiti bolje razumijevanje prirodnih procesa. "Kaos" superpozicije puno bolje odražava način, na primjer, mutacije u DNK, a time i razvoj bolesti i evolucije. Kvantno računalstvo se već danas koristi za stvaranje novih lijekova.
Možda ima smisla govoriti o korištenju kvantnih računala za teleportaciju podataka. Da, upravo teleportacija podataka, a možda i osobe. Moći ćemo teleportirati informacije s mjesta na mjesto bez fizičkog prijenosa. Zvuči kao fantazija, ali je moguće, jer se ta fluidnost kvantnih čestica može zaplesti u vremenu i prostoru, tako da promjena jedne čestice može utjecati na drugu, a to stvara kanal za teleportaciju. To je već dokazano u laboratorijima i moglo bi biti dio kvantnog interneta budućnosti. Još nemamo takvu mrežu, ali neki znanstvenici već rade na tim mogućnostima, simulirajući kvantnu mrežu na kvantnom računalu. Već su razvili i implementirali zanimljive nove protokole, poput teleportacije između korisnika mreže i učinkovitog prijenosa podataka, pa čak i sigurno glasovanje.
Također treba reći da bi kvantna računala trebala služiti za simulaciju raznih situacija i pronalaženje rješenja za probleme, uključujući lijekove i cjepiva. Primjerice, tijekom pandemija poput koronavirusa, kada je potreban brži izračun i izračun opcija. Ovdje možete iskoristiti mogućnost kvantnog modeliranja koje nije moguće izvesti na klasičnom računalu. Kada se pojavi nova bolest, proces pronalaženja lijeka traje oko 15 godina i može koštati do 2,6 milijardi dolara. U nekim je bolestima potrebno filtrirati kroz milijune molekula kako bi se identificirale samo stotine obećavajućih pojedinaca koji će vjerojatno postati donori. Zatim, tijekom testiranja, otprilike 99% molekula je ispušteno zbog, između ostalog, pogrešnog predviđanja ponašanja i ograničenja uzorkovanja. Tu bi do izražaja došla kvantna računala.
A ovo su još uvijek samo neke od prekrasnih ideja o tome što se može postići pomoću kvantne fizike. Trenutačno uspijevamo donekle ukrotiti njen ćudljivi karakter, ali sve je još uvijek na početnoj razini. Stvaranje pravog kvantnog računala i njegova masovna primjena još su prilično daleko, ali napredak ne miruje. Stoga ćete možda za desetak godina uz pomoć kvantnog računala čitati ovaj članak i snishodljivo se smiješiti.
Pročitajte također:
Çoch sağ olun, muellimin bize moderni memorijski uređaji