Niz otkrića u kvantnom računarstvu
Obično računalo, koje se danas naziva klasično ili tradicionalno računalo, radi na osnovnom konceptu 0s i 1s (nule i jedinice). Kada pitamo računalo da izvršite zadatak umjesto nas, na primjer matematički izračun ili rezervaciju termina ili bilo što vezano za svakodnevni život, ovaj zadatak u danom trenutku se pretvara (ili prevodi) u niz od 0s i 1s (koji se tada naziva ulaz), ovaj unos obrađuje algoritam (definiran kao skup pravila koja treba slijediti za dovršetak zadatka na računalu). Nakon ove obrade, vraća se novi niz od 0s i 1s (koji se naziva izlaz), koji kodira očekivani rezultat i prevodi se natrag u jednostavnije informacije koje su prilagođene korisniku kao "odgovor" na ono što korisnik želi da računalo učini . Fascinantno je da bez obzira koliko se algoritam činio pametnim ili pametnim i bez obzira na razinu težine zadatka, računalni algoritam radi samo jednu stvar – manipulira nizom bitova – gdje je svaki bit 0 ili 1. manipulacija se događa na računalu (na kraju softvera), a na razini stroja to je predstavljeno električnim krugovima (na matičnoj ploči računala). U hardverskoj terminologiji kada struja prolazi kroz te električne krugove, ona je zatvorena i otvorena kada nema struje.
Klasično protiv kvantnog računala
Dakle, u klasičnim računalima bit je jedinstvena informacija koja može postojati u dva moguća stanja – 0 ili 1. Međutim, ako govorimo o kvantni računala, obično koriste kvantne bitove (koji se također nazivaju 'kubiti'). To su kvantni sustavi s dva stanja, međutim, za razliku od uobičajenog bita (pohranjenog kao 0 ili 1), kubiti mogu pohraniti mnogo više informacija i mogu postojati u bilo kojoj pretpostavci tih vrijednosti. Da bismo bolje objasnili, kubit se može smatrati zamišljenom sferom, gdje kubit može biti bilo koja točka na sferi. Može se reći da kvantno računalstvo iskorištava prednost sposobnosti subatomskih čestica da postoje u više od jednog stanja u bilo kojem trenutku i da se i dalje međusobno isključuju. S druge strane, klasični bit može biti samo u dva stanja – na primjer na kraju dvaju polova kugle. U običnom životu tu 'superpoziciju' ne možemo vidjeti jer kada se sustav sagleda u cijelosti, te superpozicije nestaju i to je razlog zašto je razumijevanje takvih superpozicija nejasno.
Ono što to znači za računala je da kvantna računala koja koriste qubite mogu pohraniti ogromnu količinu informacija koristeći manje energije od klasičnog računala i stoga se operacije ili izračuni mogu relativno brže obaviti na kvantnom računalu. Dakle, klasično računalo može uzeti 0 ili 1, dva bita u ovom računalu mogu biti u četiri moguća stanja (00, 01, 10 ili 11), ali samo jedno stanje je predstavljeno u bilo kojem trenutku. Kvantno računalo, s druge strane, radi s česticama koje mogu biti u superpoziciji, dopuštajući dvama kubitima da predstavljaju potpuno ista četiri stanja u isto vrijeme zbog svojstva superpozicije koje oslobađa računala od 'binarnog ograničenja'. To može biti jednako kao da četiri računala rade istovremeno, a ako dodamo ove qubite, snaga kvantnog računala eksponencijalno raste. Kvantna računala također iskorištavaju još jedno svojstvo kvantne fizike zvano 'kvantna isprepletenost', koju je definirao Albert Einstein, isprepletenost je svojstvo koje kvantnim česticama omogućuje povezivanje i komunikaciju bez obzira na njihov položaj u svemir tako da promjena stanja jedne može trenutačno utjecati na drugu. Dvostruke mogućnosti 'superpozicije' i 'uplitanja' u načelu su prilično moćne. Stoga je ono što kvantno računalo može postići nezamislivo u usporedbi s klasičnim računalima. Sve ovo zvuči vrlo uzbudljivo i jednostavno, međutim, postoji problem u ovom scenariju. Kvantno računalo, ako uzme qubite (superponirane bitove) kao ulaz, njegov će izlaz također biti na sličan način u kvantnom stanju, tj. izlaz koji ima superponirane bitove koji se također mogu mijenjati ovisno o stanju u kojem se nalazi. Ova vrsta izlaza ne t stvarno nam omogućuje primanje svih informacija i stoga je najveći izazov u umjetnosti kvantnog računalstva pronaći načine za dobivanje što više informacija iz ovog kvantnog rezultata.
Kvantno računalo će biti ovdje!
Kvantna računala mogu se definirati kao snažni strojevi, temeljeni na načelima kvantne mehanike koji imaju potpuno novi pristup obradi informacija. Oni nastoje istražiti složene zakone prirode koji su oduvijek postojali, ali su obično ostali skriveni. Ako se takvi prirodni fenomeni mogu istražiti, kvantno računalstvo može pokrenuti nove vrste algoritama za obradu informacija, a to bi moglo dovesti do inovativnih otkrića u znanosti o materijalima, otkrivanju lijekova, robotici i umjetnoj inteligenciji. Ideju o kvantnom računalu predložio je američki teorijski fizičar Richard Feynman davne 1982. A danas tehnološke tvrtke (kao što su IBM, Microsoft, Google, Intel) i akademske institucije (kao što su MIT i Sveučilište Princeton) rade na kvantnom računalne prototipove za stvaranje mainstream kvantnog računala. International Business Machines Corp. (IBM) je nedavno rekao da su njegovi znanstvenici izgradili moćnu kvantnu računalnu platformu i da joj se može pristupiti, ali napominju da to nije dovoljno za obavljanje većine zadataka. Kažu da 50-qubit prototip koji se trenutno razvija može riješiti mnoge probleme koje klasična računala danas rade, au budućnosti bi 50-100 qubit računala uvelike popunila tu prazninu tj. kvantno računalo sa samo nekoliko stotina qubita bi bilo u stanju izvesti više izračuna istovremeno nego što ima atoma u poznatom svemir. Realno govoreći, put do mjesta na kojem kvantno računalo zapravo može nadmašiti klasično računalo na teškim zadacima je prepun poteškoća i izazova. Nedavno je Intel objavio da je novo 49-qubitno kvantno računalo tvrtke predstavljalo korak prema ovoj "kvantnoj nadmoći", u velikom napretku za tvrtku koja je prije samo 17 mjeseca demonstrirala 2-bitni qubit sustav. Njihov je prioritet nastaviti širiti projekt, temeljen na razumijevanju da je povećanje broja qubita ključ za stvaranje kvantnih računala koja mogu dati rezultate u stvarnom svijetu.
Materijal je ključan za izgradnju kvantnog računala
Materijalni silicij je desetljećima sastavni dio računalstva jer ga njegov ključni skup sposobnosti čini vrlo prikladnim za opće (ili klasično) računanje. Međutim, što se kvantnog računalstva tiče, rješenja temeljena na siliciju nisu usvojena uglavnom iz dva razloga, prvo je teško kontrolirati kubiti proizvedene na siliciju, a drugo, još uvijek je nejasno mogu li se silicijski kubiti moći skalirati kao i drugi rješenja. U velikom napretku koji je Intel nedavno razvio1 novi tip kubita poznat kao 'spin qubit' koji se proizvodi na konvencionalnom siliciju. Spin kubiti vrlo nalikuju poluvodičkoj elektronici i isporučuju svoju kvantnu snagu iskorištavanjem spina jednog elektrona na silicijskom uređaju i kontroliranjem kretanja sićušnim, mikrovalnim impulsima. Dvije glavne prednosti koje su dovele do toga da se Intel pomakne u ovom smjeru su, prvo, Intel kao tvrtka već uvelike ulaže u industriju silicija i stoga ima odgovarajuću stručnost u siliciju. Drugo, silicijski kubiti su korisniji jer su manji od konvencionalnih kubita i očekuje se da će zadržati koherentnost dulje vrijeme. Ovo je od primarne važnosti kada se kvantni računalni sustavi trebaju povećati (npr. prijeći sa 100-qubit na 200-qubit). Intel testira ovaj prototip i tvrtka očekuje da će proizvoditi čipove s tisućama malih qubit nizova, a takva proizvodnja kada se radi na veliko može biti vrlo dobra za skaliranje kvantnih računala i može biti prava promjena u igri.
U nedavnom istraživanju objavljenom u Znanost, novodizajnirani uzorak za fotonske kristale (tj. dizajn kristala implementiran na fotonski čip) razvio je tim sa Sveučilišta Maryland, SAD, za koji tvrde da će kvantna računala učiniti dostupnijim2. Ovi fotoni su najmanja poznata količina svjetlosti i ti kristali su bili ukopani s rupama koje uzrokuju interakciju svjetlosti. Različiti uzorci rupa mijenjaju način na koji se svjetlost savija i odbija kroz kristal i ovdje je napravljeno tisuće trokutastih rupa. Takva upotreba pojedinačnih fotona važna je za proces stvaranja kvantnih računala jer će računala tada imati sposobnost izračunavanja velikih brojeva i kemijskih reakcija koje sadašnja računala nisu u stanju napraviti. Dizajn čipa omogućuje prijenos fotona između kvantnih računala bez ikakvih gubitaka. Ovaj gubitak također se smatra velikim izazovom za kvantna računala i stoga se ovaj čip brine o problemu i omogućuje učinkovitu rutu kvantni informacije iz jednog sustava u drugi.
Budućnost
Kvantna računala obećavaju da će izvoditi izračune mnogo dalje od bilo kojeg konvencionalnog superračunala. Imaju potencijal revolucionirati otkriće novih materijala omogućujući simulaciju ponašanja materije sve do atomske razine. Također stvara nadu za umjetnu inteligenciju i robotiku bržom i učinkovitijom obradom podataka. Isporuku komercijalno održivog kvantnog računalnog sustava mogla bi napraviti bilo koja od velikih organizacija u nadolazećim godinama budući da je ovo istraživanje još uvijek otvorenog tipa i poštena igra za sve. Glavne najave očekuju se u sljedećih pet do sedam godina, a idealno govoreći s nizom napretka, trebali bi se riješiti inženjerski problemi i kvantno računalo od milijun ili više kubita trebalo bi postati stvarnost.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicij postaje sve veći u utrci kvantnog računanja. Priroda. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. i sur. 2018. Topološko sučelje kvantne optike. Znanost. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
