uredi› krajšaj› T:167 M:417 Z: [×]

Težave z najboljšo napravo za reševanje težav

Se spomnite, ko je Apple predstavi iPhone in ste ljudi prvič slišali brbljati o nečem, kar se je imenovalo aplikacije? Takrat je bilo mogoče izbirati le med nekaj sto aplikacijami, kar je bila praznina, ki je močno spominjala na priložnost in je tudi v resnici kmalu povzročila vzpon modnega poklica, razvijalca aplikacij.

Michael Brooks, New Scientist

Dandanašnji lahko izbiramo med več kot dvema milijonoma aplikacij za iPhone, kar je le še en vzrok za nezadržen uspeh te naprave.

Zdaj pa pomislite na kvantne računalnike, tako glasno slavljene sanjske stroje, ki bi ob pomoči nenavadnih zakonov kvantne fizike z lahkoto opravili s še tako zapletenimi težavami. Že dolgo sodijo med obljubljene tehnologije, ki bodo spremenile svet, a obenem povzročajo toliko sivih las, ker so vedno na dosegu roke, a se tudi vztrajno izmikajo. V zadnjem letu se je kljub temu nekaj spremenilo. Velikani v tej panogi, ki tekmujejo, kdo bo prvi sestavil tak stroj, so potihoma začeli rekrutirati razvijalce aplikacij. To kaže, da je v dolgotrajnem boju za unovčenje navdušenja nad kvantnimi računalniki morda napočila nova faza.

John Martinis s kalifornijske univerze v Santa Barbari.

Že to, da strokovnjaki v Googlu, IBM, Microsoftu in vrsti drugih družb sploh sestavljajo prototipe, je dokaz, kako daleč smo prišli. A resnično razburljivo je to, da so se zdaj, ko so postavili izziv novi generaciji programerjev, naj razmišljajo kvantno, dotaknili vprašanja, ki je bilo bolj ali manj pometeno pod preprogo: kaj bomo počeli z najboljšim strojem za reševanje težav, ko ga bomo sestavili?

Kvantni skok v računalništvu se napoveduje že dolgo. O njem so prvič razmišljali v osemdesetih letih, ko so teoretiki napovedali, da bi računalnik na osnovi kvantnega delovanja pri nekaterih opravilih lahko daleč presegel klasične računalnike. Ključno za to naj bi bilo izkoriščanje superpozicije, kvantne lastnosti, zaradi katere so delci lahko v več različnih sestavah hkrati, in prepletenosti, zaradi katere lahko vsi delci delajo skupaj in tako omogočijo silno vzporedno obdelavo.

Kubit na kubit

Medtem ko klasični računalniki podatke kodirajo kot bite, ki so lahko v enem od dveh stanj, 0 ali 1, so kvantni delci oziroma kubiti lahko hkrati 0 in 1, in sicer zaradi superpozicije. Če je s prepletenostjo povezanih dovolj kubitov, bi ti zmogli veliko več računskih operacij hkrati, to pa bi pripomoglo k eksponentno hitrejšemu delovanju stroja.

A za zdaj je to le teorija. Nihče še ni sestavil stroja, na katerem bi bilo to mogoče pošteno preizkusiti. »Vsi predvidevajo, da moč kvantnega računalnika temelji na vzporedni obdelavi,« je povedal John Martinis s kalifornijske univerze v Santa Barbari. »Ključno pa bi bilo, da bi to tudi dejansko preverili.«

In prav tega se zdaj nadejajo vsi, tudi Martinis. S svojo ekipo se že desetletja ukvarja s kvantnim računalništvom in v tem času je naredil pomembne korake s superprevodnimi kubiti – to so ultra hladne zanke superprevodne kovine s kvantnimi lastnostmi. Nato je leta 2014 vse skupaj kupil Google in njegova finančna podpora je pospešila napredek.

Martinis je pred kratkim zaupal javnosti, da njegova skupina preizkuša 20-kubitni procesor, dokončujejo pa tudi 49-kubitno različico, s katero nameravajo narediti nekaj, česar klasični računalnik ne bi nikoli zmogel. Ta mejnik, znan kot kvantna nadvlada, bi končno dokazal teorijo in bi bil velikanska spodbuda za celotno področje.

Junija so v Googlu povedali, da bo veliki trenutek napočil do konca tega leta, a zdaj Martinis priznava, da se bo to zgodilo šele prihodnje leto.

A kadarkoli že bo prišlo do tega, nadvlada ni vse. Eno je preseči navadne računalnike pri napovedovanju izhodne moči kaotičnih elektronskih tokov, kar je cilj Googla, nekaj čisto drugega pa je ustvariti praktično uporabno napravo. Za to je treba prebrati vse večje število kubitov, to pa hitro postane vražje zahrbtno, saj je tem težje preprečiti razpad krhkega kvantnega stanja kubitov, čim večje je njihovo število.

V praksi so kubiti občutljivi že na hrup in druge vire motenj. Vibracije toplotne energije lahko prekinejo prepletenost ali superpozicijo. Zaradi tega se v podatke, ki jih imajo, vtihotapijo napake, in te je nato treba popraviti z mrežami še več kubitov. Logični kubit s podatki mora biti torej narejen iz vrste fizičnih kubitov za popravljanje napak, zato se je neumno hvaliti, da imaš stroj s 50 fizičnimi kubiti, če pa so tako hrupni, da lahko opravljajo računske operacije kvečjemu treh logičnih kubitov. »Če hočemo imeti en logični kubit, potrebujemo dvodimenzionalno mrežo fizičnih kubitov, in opraviti moramo vrsto meritev z njimi, da zaznamo vse napake, do katerih prihaja,« je razložil James Wootton s švicarske univerze v Baslu. Težava s sorazmernim povečevanjem se zdi izrazito pereča za Google, meni Winfried Hensinger, ki na britanski univerzi Sussex sestavlja lasten kvantni procesor. Superprevodne kubite je treba ohladiti na za las nad absolutno ničlo, zato je sam računalnik velik in nepraktičen za sestavljanje velikih nizov prepletenih kubitov. »To je primeren pristop za dosego stotih kubitov, a sestavljanje velikega stroja predstavlja velik izziv,« priznava.

Microsoft je le eno izmed podjetij, ki resno stavi na kvantno računalništvo. Njihov oddelek Staion Q zaposluje strokovnjake z vsega sveta.

Hensinger meni, da je njegov pristop primernejši za sorazmerno povečevanje. Njegovi kubiti so nabiti atomi oziroma ioni, shranjeni v magnetnih plasteh, ki delujejo pri sobni temperaturi. Vnos in izhod poteka prek samo peščice mikrovalovnih polj, ne glede na to, koliko ionov sodeluje pri računanju. To pomeni, da naj bi bilo delo s kubiti preprosto, tudi če jih je veliko število. Njegovi skupini manjkata še dve leti, da bi vse skupaj vključili v en sam prototip, ki naj bi imel od deset do 50 kubitov, je razložil.

Hensinger ni edini, ki se je odločil za drugačen pristop. Ekipa Chrisa Monroeja na univerzi v Marylandu prav tako dela z ioni v pasteh, raziskovalci na univerzi Južnega Walesa v Sydneyju pa so kubite izdelali iz atomov fosforja, vdelanih v silicijevo mrežo. Vodja raziskave Michelle Simmons je poudarila, da je njihova prednost, ker ostanejo brez napake milijonkrat dlje, kot jim je to uspelo doseči s superprevodnimi kubiti. »Hrup naše naprave je neverjetno zmeren,« je še poudarila.

Poleg tega je industrija polprevodnikov že tako vajena dela s silicijem, da bo povečanje proizvodnje veliko lažje kot pri drugih tehnologijah, je prepričana Simmonsova. »Če hočeš sestaviti kvantni računalnik, je to najboljša metoda, o tem smo prepričani.«

Potem je tu še morebitni joker, eksotični pristop do kvantnega računalništva, s katerim se bo mogoče bolj ali manj izogniti oviram, ki jih postavljata sorazmerno povečevanje in odprava napak – čeprav so nekateri prepričani, da so to le pobožne želje. Raziskovalci v Microsoftovem laboratoriju Station Q v Kaliforniji sestavljajo topološke kubite na temelju lastnosti delcev, imenovanih neabelovi anyoni, ki kvantne podatke lahko šifrirajo z zapletenim načinom premikanja drug mimo drugega. Microsoft je pred kratkim zaposlil Lea Kouwenhovna z nizozemske univerze v Delftu, človeka, ki trdi, da jih je prvi ustvaril. A niso vsi mnenja, da je Kouwenhoven res izdelal topološke kubite, nekateri pa celo dvomijo o obstoju teh kubitov.

Superprevodno vezje z devetimi kubiti, ki lahko zaznajo napake in jih tudi popravijo. Foto: Julian Kelly.

Kakorkoli že, topološki kvantni računalnik je nekaj, za kar se velja potruditi, je povedal Todd Holmdahl iz Station Q. Kvantno stanje anyonov je utrjeno z njihovimi relativnimi preteklimi potmi, je razložil, in ne z lastnostmi, kot sta vrtilna količina in naboj, ki sta hitro podvržena motnjam. To pomeni, da je celoten ustroj razmeroma odporen proti napakam in zunanjim vplivom. »Vse popravljanje napak se odvija v strojni opremi,« je razložil. To pomeni tudi, da je treba manj kubitov za uporabno obdelavo kvantnih podatkov.

Holmdahl sicer brez zadržkov priznava, da njegova skupina zaostaja za drugimi, a pričakuje naskok na ciljno črto ravno takrat, ko bodo njihovi tekmeci že omagali. »Tisti, ki že tečejo maraton, so vsi obuti v vojaške ali ribiške škornje,« je pojasnil. »Mi sicer še sedimo, a si obuvamo športne copate, in ko bodo zavezani, bomo tekli neprimerno hitreje.«

Kvantni dešifranti

Lani se je ameriška agencija za nacionalno varnost NSA po desetletjih opazovanja in čakanja končno odločila, da je kvantno računalništvo resna grožnja, in sicer zato, ker bi zaradi kvantnih procesorjev vse naše zvijače za zaščito spletnih transakcij, zavarovanje finančnih sistemov in šifriranje elektronske pošte lahko koristile toliko kot trezor iz čokolade.

Kriptografske kode za temi sistemi temeljijo na matematični posebnosti, da ni znanega algoritma za učinkovito iskanje prafaktorjev visokega števila. Faktorji so manjša števila, ki se med seboj množijo, da dobimo večje število. Največ, kar lahko storimo, je, da drugo za drugo preizkusimo različne kombinacije.

Ameriška agencija NSA meni, da je kvantno računalništvo resna grožnja.

Na voljo pa je algoritem za kvantni računalnik, ki bi to zmogel. Peter Shor je leta 1994 zasnoval algoritem, ki bi lahko učinkovito poiskal faktorje večjega števila. Rešitev ni na dosegu roke, saj bi bilo za Shorov algoritem treba na stotine, če ne tisoče kubitov, da bi bil uporaben – današnji stroji pa jih imajo v najboljšem primeru peščico. Kljub temu ni razloga za pretirano lagodnost.

»NSA ne more vedeti, ali bo na voljo dovolj velik kvantni računalnik, ki bo lahko izkoriščal kriptografijo z javnimi ključi, in kdaj,« so zapisali v enem od dokumentov te agencije, kjer so ga izdali, da bi podjetja spodbudili k razmisleku o kvantni kriptografiji.

Na koga torej staviti? »Pravzaprav tega še ne vemo,« ni ovinkaril Scott Aaronson s teksaške univerze v Austinu. »Eden od pristopov bi lahko prekašal vse druge, lahko jih bo uspešnih več, morda pa bo nujen hibrid iz več pristopov, da bi dosegli cilj.«

Kakorkoli že se bo izteklo, so tisti na čelu za zdaj vedno bolj samozavestni. »Glede na zagon in to, koliko pametnih ljudi bi rado sodelovalo, nam ne uide osupljiv dosežek,« je povedal Jerry Chow, ki vodi kvantni projekt v podjetju IBM.

Kaj natančno naj bi bil ta dosežek, pa ni jasno. In v tem se tudi skriva težava kvantnih računalnikov: ne vemo, kaj bi počeli z njimi.

Aplikacije!

Za začetek ključno pomembnih aplikacij ni toliko, kot bi si človek predstavljal. Fiziki že desetletja vedo, da bi kvantni računalniki lahko reševali specifične težave; med njimi je tudi optimizacija, ki zajema tudi iskanje najnižje oziroma najvišje točke med obiljem možnosti. A to ni nič revolucionarnega, temveč le malce bolje od klasičnih strojev. Druga težava je tako imenovano nasprotno iskanje, med katerim lahko obsežne, neurejene zbirke podatkov preiščemo hitreje kot s klasičnim računalnikom. Potem je tu še faktorizacija velikih števil, a je tudi zanjo nujno veliko število kubitov, da je učinek bistveno večji kot pri klasičnih računalnikih. Pravzaprav gre za rešitve, ki iščejo svoje načine rabe. Za uresničitev velikanskega potenciala kvantnih računalnikov bi zdaj potrebovali aplikacije, za katere je nujna kvantna rešitev.

Joe Fitzsimmons, kvantni programer na univerzi za tehnologijo in oblikovanje v Singapuru: »Mislim, da praskamo šele po površini mogočih načinov rabe.«

Zamisli so. Med prvimi predlogi je bila simulacija drugih kvantnih predmetov, kot so kemične molekule. Sodelujoči upajo, da bo odkrivanje novih zdravil mogoče korenito pospešiti s kvantnimi procesorji. Kvantni procesor IBM s sedmimi kubiti, ki temelji tudi na superprevodnih zankah, je zmogel izračunati najnižje energetsko stanje molekule s tremi atomi, berilijevega hidrida (BeH2), kar je pomemben korak na poti k razumevanju vseh reakcij, ki jim bo izpostavljena molekula. To ni nekaj prelomnega v kvantni nadvladi, saj je enak izračun mogoč tudi s klasičnim strojem, kljub temu pa je korak v smeri občutno zahtevnejših izračunov, ko bo na voljo več kubitov.

IBM je dosegel napredek tudi pri kvantni različici strojnega učenja. To področje, ki pomeni samo srčiko umetne inteligence, se opira na prepoznavanje vzorcev v obsežnih skupih podatkov. Ekipa je pokazala, da bi bili kvantni procesorji pri iskanju vzorcev v hrupnih podatkih lahko veliko uspešnejši od klasičnih.

V resnici pa veliko načinov uporabe presega naše medle zmožnosti domišljije. »Mislim, da praskamo šele po površini mogočih načinov rabe,« je povedal Joe Fitzsimmons, kvantni programer na univerzi za tehnologijo in oblikovanje v Singapuru.

In čeprav je vrsta težav, zrelih za obstoječo kvantno obravnavo, še vedno nekaj manjka: navodila za delovanje. Algoritmi so nizi operacij, ki se morajo izvesti za rešitev težave. Imamo najrazličnejše za navadne, klasične računalnike, kvantni računalniki pa delujejo čisto drugače, zato potrebujemo nove algoritme, če želimo izkoristiti precejšnjo vzporedno obdelavo, ki jo omogočajo.

Trenutno je le peščica uporabnih. Pravzaprav smo zdaj približno na isti stopnji, kot je bilo programiranje za klasične računalnike v 50. letih: razumeti je treba, kaj procesna strojna oprema dejansko fizično počne, da je mogoče upravljati s kubiti, zato se je z njimi treba pogovarjati v kvantni različici enic in ničel, ki jih dovajamo navadnim računalnikom. »Trenutno je to izjemno zahtevno,« dodaja Fitzsimmons.

Največji se zavedajo te težave. Dejanski napredek pa bo odvisen od tega, ali bodo nove naprave dostopne in zanimive za ljudi brez kvantnih izkušenj. To je nekaj, za kar si prizadeva Wootton, sploh zdaj, ko je IBM ponudil dostopen petkubitni računalnik. »Zdaj se lahko igramo s pravimi kvantnimi računalniki,« je komentiral.

Wootton je leta 2011 izdelal kvantni algoritem za simulacijo vedenja eksotičnih anyonov, za katere Microsoft upa, da jih bo usposobil za delo. To mu je uspelo s pravimi kubiti, zdaj pa raziskuje algoritme, ki jih je mogoče izpeljati z najnovejšo 16-kubitno napravo podjetja IBM.

Zaradi te izkušnje je postal glasnik radosti kvantnega programiranja in dejavno rekrutira ljudi za to stvar, ker verjame, da najboljše zamisli ne bodo prišle od znotraj. »Navajeni smo razmišljati na določen način, ljudje, ki zdaj vstopajo na področje, pa razmišljajo drugače,« je pojasnil Wootton. »Ko se bo zbudilo zanimanje pravih ljudi, se bo s temi napravami zgodilo marsikaj izjemnega.«

Copyright New Scientist, distribucija Tribune Content Agency