Kvantno računarstvo je budućnost tehnologije

Očekujemo da će kvantna računala otvoriti vrata za koja smo mislili da će još dugo ostati zaključana, rekao je u intervjuu za ICTbusiness.info Zlatko Minev koji radi na IBM-ovim projektima kvantnog računarstva. Minev je iznenadio kvantnu zajednicu „riješivši“ raspravu koja je dijelila fizičare više od jednog stoljeća - pretpostavljalo se da se razina energije atoma mijenjala naglim, slučajnim, takozvanim "kvantnim skokovima".

Minev je osmislio revolucionarni eksperiment i naprednu kvantnu tehnologiju kako bi pokazao suprotno - u eksperimentu koji se smatrao nemogućim. Njegov eksperiment ne samo da predviđa pojavu kvantnih skokova već uzima kontrolu nad njihovom neposrednom sudbinom.

Mnogi ljudi danas govore o kvantnom računanju. Što je u osnovi kvantno računanje i kako izraditi kvantno računalo?

Kvantna računala nevjerojatno su moćni strojevi koji označavaju novi pristup u obradi informacija. Izgrađeni na načelima kvantne mehanike, kvantna računala koriste složene i fascinantne zakone prirode koji su uvijek tu, ali obično ostaju skriveni od pogleda. Koristeći takvo prirodno ponašanje, kvantna računala mogu pokretati nove tipove algoritama za obradu informacija na načine koji su bili izvan dosega klasičnih računala. Kvantna računala jednog dana mogu dovesti do revolucionarnih otkrića u mnoštvu aplikacija; kvantna zajednica se bavi otkrivanjem materijala i lijekova, optimizacijom složenih umjetnih sustava i umjetnom inteligencijom. Očekujemo da će kvantna računala otvoriti vrata za koja smo nekada mislili da će ostati zaključana duže vrijeme.

Razmislite o situaciji kada ste posljednji put organizirali večeru za desetak ljudi. Da biste stvorili nezaboravnu večer, uzeli ste u obzir osobnosti, interese i pozadine svakog gosta, a zatim ste goste rasporedili za stolom na način koji će biti najbolji za diskusiju i kako biste stvorili što ugodniju atmosferu. Drugim riječima, večer ste optimizirali za maksimalnu sreću. Ako biste dodali još jednog gosta, ne bi postojala samo jedna nova konfiguracija već bi to moglo potpuno promijeniti čitav vaš raspored sjedenja. Sad zamislite istu vježbu za vjenčanje 200 gostiju ili okupljanje 10 000 ljudi. Očito je da kao ljudi brzo dolazimo do svojih ograničenja kad se suočimo s takvim problemima. Današnja klasična računala su daleko bolja, ali i ona imaju ograničenja. Za probleme određene veličine, čak i naši najbolji strojevi ne mogu pronaći najbolje rješenje - ni za milijardu godina.

Pa zašto su kvantna računala različita? To se svodi se na tri temeljna kvantna učinka: superpoziciju, zapletenost i interferenciju. Građevinski blokovi kvantnih računala su kvantni bitovi ili kubiti, koji mogu postojati u stanju poznatom kao kvantna superpozicija. Kubiti koji su tada zapleteni - povezani kroz ono što je Einstein nazvao "sablasnom akcijom na daljinu" - tada mogu dovesti do eksponencijalnih računskih prostora. Na primjer: 2-kubični sustav može postojati u superpoziciji od četiri stanja, 3-kubitni sustav može postojati u superpoziciji od osam stanja, 4-kubitni sustav može biti u superpoziciji od 16 stanja itd. Interferencija, koja opisuje fenomen poznat kao "faza", tada pojačava (ili poništava) signale iz kubita. Dakle, snaga kvantnih računala može u određenom smislu eksponencijalno rasti dok dodajemo kubite (pod pretpostavkom da su stope pogrešaka niske). To nam omogućuje rješavanje problema čija složenost eksponencijalno raste s kvantnim računalom čija snaga raste na isti način.

Na kakvoj se tehnologiji temelji kvantno računalo? Je li sigurno, može li se graditi kod kuće? Kakav procesor koristi?

Dio kvantnog računala koji se najviše može prepoznati je zlatni luster koji često možete vidjeti fna fotografijama koje predstavljaju kvantne strojeve. To je u osnovi divovski hladnjak koji održava kubite na temperaturama blizu apsolutne nule (-273 C). Sadrži mnoštvo zavojnica koje šalju mikrovalne impulse na dno lustera koji u slučaju IBM-ovih kvantnih računala sadrži supravodljive kvantne čipove koji su izrađeni od silicija.

Ne biste to željeli graditi kod kuće jer održavanje temperature zahtijeva upotrebu nekoliko plinova, poput tekućeg helija, ali s opremom za trening i sigurnost riječ je o vrlo sigurnom okruženju. Naravno, ne trebate ih graditi kod kuće jer IBM nudi niz kvantnih računala u oblaku, od kojih je nekoliko dostupno svima za upotrebu putem IBM Quantum Experience.

Ovo je vrlo zanimljiva tehnologija da se ne koristi kod kuće. Postoji li budućnost za kvantna računala u svakodnevnom životu poput kućnog ili poslovnog računala?

U dogledno vrijeme kvantna računala neće zamijeniti klasična računala, poput superračunala i prijenosnih računala, već će raditi paralelno s njima. Slično GPU-u ili bilo kojem hardverskom akceleratoru. Dakle, iako nećete koristiti kvantno računalo za uređivanje svojih kućnih videozapisa, tvrtke će ga koristiti zi to će zasigurno na neki način utjecati na vaš život. Na primjer, Delta Airlines proučava kako kvantna računala mogu poboljšati rasporede i planove letova, a Daimler koristi kvantnu tehnologiju za istraživanje baterija za električna vozila.

U kojem se smjeru danas razvija kvantno računanje? Kakva je budućnost?

Budućnost kvantnog razvoja usmjerena je na postizanje kvantne prednosti - to je točka kada na kvantnom računalu postižemo nešto korisno što se ne može klasično izvesti - s nadimkom "kvantna prednost". Očekujemo da će kvantna prednost biti postignuta u sljedećem desetljeću.

Dugoročno gledano, krajnji cilj je potpuno kvantno računalo tolerantno na kvarove, što znači da neće imati grešaka, ali to je još desetljećima daleko.

Danas kvantna računala mogu raditi apstraktne algoritme. Koja je ideja iza toga?

Razvoj algoritama ovisi o sklopovima koji mogu pokretati kvantni hardver. Sklopovi su temeljni blokovi kvantnih aplikacija.

Kako bismo poboljšali mogućnosti algoritama na kvantnim računalima moramo nastaviti poboljšavati sve aspekte performansi sustava. Ukupne performanse kvantnog računala mogu se odraziti u metrici koja se naziva Kvantni volumen koji mjeri duljinu i složenost krugova koji se mogu izvršiti. Što je veći kvantni volumen, to je veći potencijal za istraživanje rješenja stvarnih problema u industriji, upravljanju i istraživanjima.

Možete li objasniti "kvantne skokove"?

Smatra se da nitko ne može predvidjeti vrijeme kada će atom "skočiti" s jedne od svojih diskretnih razina energije na drugu - kvantni skok. Einstein se usprotivio tome što je i slavno napisao: "Bog ne baca kockice sa Svemirom.

Kvantni skokovi upravo odražavaju suprotno - temeljnu nepredvidljivost i temeljnu diskretnost. To su dva temeljna stupa koja izdvajaju kvantum od našeg klasičnog svijeta i našeg svakodnevnog životnog iskustva.

Kvantni skokovi danas se rutinski promatraju što traje već više od 100 godina i postali su glavni sastojak kvantnih tehnologija, poput kvantne korekcije pogrešaka za kvantna računala.

Međutim, sada, kao znanstveni časopis Nature, koji je objavio moj rad "Uhvatiti i preokrenuti kvantni skok usred leta", temeljen na mojim rezultatima u disertaciji, napisao je da moje istraživanje poništava uobičajeni pogled na trenutnu i nepredvidivu prirodu kvantnih skokova —i pokazuje da umjesto toga kvantni skokovi imaju stvarnu temeljnu putanju i razinu predvidljivosti što omogućuje da ih se kontrolira.

Nature sažima znanstveni značaj toga sa "Eksperiment okreće Bohrov pogled na kvantne skokove, pokazujući da posjeduju određeni stupanj predvidljivosti, a kada se dovrše oni su kontinuirani, koherentni pa čak i deterministički.

Eksperiment koji sam predložio i izveo omogućava da sada dobro vidimo dinamiku kvantnog skoka na način koji je do sada bio nemoguć.

Skok iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje atoma može se pratiti jer slijedi ono što je u biti predvidljiv, kontinuiran i gladak 'let'.

Volim dati analogiju kako su kvantni skokovi atoma donekle analogni erupciji vulkana. Dugoročno su potpuno nepredvidljivi, ali ispravnim praćenjem možemo dobiti upozorenje na neposrednu katastrofu i djelovati prije nego što se dogodila.

Znanstveno, moj rad na predviđanju i preokretanju kvantnog skoka rješava sto godina dugu raspravu između Bohra, Schrodingera i Einsteina - glavnih arhitekata kvantne fizike.

Predviđanje skokova moglo bi preoblikovati naše temeljno razumijevanje kvantne sfere i moglo bi oblikovati istraživanje i utjecati na naš pogled na prirodu u sljedećim desetljećima.

Je li ga moguće koristiti u nekoj budućoj tehnologiji - možda nekoj vrsti superračunala?

Tehnološki je moje otkriće dovelo do najosjetljivijih i vremenski završenih kvantnih mjerenja i povratnih informacija do danas, što pomaže na putu do znatno poboljšane tehnologije kvantnog mjerenja.

Znači, možemo predvidjeti skok gotovo savršeno prije nego što se uopće dogodi - otvarajući vrata radikalno novim napredovanjima u ispravljanju pogrešaka koje se događaju na kvantnim računalima.

Kvantne pogreške vjerojatno su najveća prepreka praktičnim kvantnim računalima. Posebne karakteristike koje kvantnim uređajima omogućuju računanje nedostižno njihovim klasičnim kolegama, koherentnost i zapletenost, vrlo su nesigurne. Pogreške se neizbježno, slučajno i nepredvidivo događaju. Te pogreške brzo kvare osjetljivo kvantno stanje kubita - temeljni blok kvantnog računala i šalju kvantni izračun u krivom smjeru.

Pogreške su obično neka vrsta kvantnog skoka. Ako uspijemo predvidjeti pojavu pogreške (kvantni skok) prije nego što se dogodi i utječe na cijeli kvantni izračun, tada bismo mogli djelovati tako da se ne dogodi utjecaj na kvantni izračun, baš kao što je prikazano u mom eksperimentu za jedan kubit.