Nešto sasvim drugo, za nešto sasvim treće

Da bismo uopšte počeli priču o kvantnim kompjuterima moramo da se podsetimo kako funkcionišu oni klasični. Bez obzira da li govorimo o mobilnom telefonu, tabletu, laptopu ili superkompjuteru, postoji nešto što im je zajedničko: svi ti uređaji na isti način manipulišu isključivo nulama i jedinicama. Svaki video, tvit, poruka ili novinski tekst nije ništa drugo do niz nula i jedinica. Kada kompjuter „nešto računa“, procesor, kao glavna „radilica“ u njemu, konvertuje jedan skup nula i jedinica u drugi korišćenjem instrukcija koje su takođe zapisane nulama i jedinicama. Ono što obično nazivamo „memorijom“ zapravo je skup elektronskih prekidača koji imaju tačno dva različita stanja – jedno od njih nazivamo nulom, drugo jedinicom. Ne postoji „međustanje“, nešto između dve pomenute krajnosti. Najmanja količina informacija kojom kompjuter može da manipuliše zove se bit i bit može da ima samo dve navedene vrednosti.

Kada povežete na hiljade procesora i mnogo bitova u jednu celinu i na to dodate softver koji je u stanju da iskoristi sav taj hardverski potencijal, dobijate super-kompjuter koji je u stanju da rešava najteže probleme iz matematike, fizike, hemije, medicine, tehnike… Najbrži superkompjuter današnjice, japanski „Fugaku“, u stanju je da izvede neverovatnih 440 hiljada biliona računskih operacija u sekundi.

Ali, priroda ne funkcioniše po sistemu „nula ili jedan“, u prirodi postoji element neizvesnosti koji je teško simulirati klasičnim kompjuterima. Postoji čitava klasa problema koji su naizgled jednostavni, ali nepodesni za rešavanje korišćenjem superkompjutera. Jedan od interesantnijih je „problem trgovačkog putnika“: zamislite trgovca koji želi da ponudi svoju robu u sto različitih gradova. Kojim redosledom on treba da poseti ove gradove tako da pređe najmanje kilometara? Ovo je klasični kombinatorni problem i nalaženje optimalnog rešenja i često podrazumeva sekvencijalno ispitivanje enormnog broja mogućnosti što je dugotrajan proces čak i na najjačim kompjuterima.

Još jedan interesantan problem: zamislite telefonski imenik koji je potpuno nesređen, u kome se imena pojavljuju nasumično, bez ikakvog alfabetskog ili geografskog reda. Imate zadatak da pronađete telefonski broj vašeg prijatelja. Ako koristite klasični kompjuter, vreme potrebno za to raste sa dužinom imenika. Ako imenik postane 100 puta duži, i vreme potrebno da locirate željeno ime postaće, u proseku, 100 puta duže. Na kvantnim kompjuterima, zahvaljujući Groverovom algoritmu, ovo vreme raste mnogo sporije: 100 puta duži imenik povećaće vreme traženja samo 10 puta.

OBJAŠNJENJA U POKUŠAJU

Kvantni kompjuteri ne predstavljaju novu generaciju kompjutera baš kao što ni sijalica ne predstavlja novu generaciju sveća. Kvantni kompjuteri neće jednog dana zameniti svu našu kućnu ili kancelarijsku elektroniku. Klasični kompjuter i dalje će predstavljati najjednostavnije, najekonomičnije a često i najbrže sredstvo za rešavanje većine svakodnevnih problema. Kvantni kompjuteri su nešto sasvim drugo za nešto sasvim treće.

Teorijski koncept kvantnih kompjutera postoji i usavršava se već decenijama. Temelj istraživanjima dali su početkom osamdesetih godina prošlog veka velikani kvantne fizike poput Ričarda Fejnmana, Jurija Marina ili Pola Benofa. Tehničke poteškoće dovele su do toga da u praksi nijedan kvantni kompjuter nije mogao da dostigne snagu vašarskog džepnog kalkulatora sve dok se u razvoj nisu uključili tehnološki giganti kao što su IBM i Gugl.

Kvantni kompjuteri baziraju se na zakonitostima koje opisuje kvantna mehanika, kompleksna teorija koja objašnjava ponašanje materije i energije na subatomskom nivou. Tu teoriju teško je predstaviti na popularan način jer se kvantni fenomeni često kose sa logikom i zdravorazumskim razmišljanjem. Još teže je objasniti kvantne kompjutere, nešto što je sagrađeno na stubovima kvantne mehanike, kao da ona sama već nije dovoljno bizarna i komplikovana.

Ne tako davno, „Njujork tajms“ je zamolio desetak vodećih svetskih eksperata koji se bave kvantnim kompjuterima da u jednoj rečenici objasne čitaocima o čemu se tu radi. Dejvid Rajli iz Majkrosofta je napisao sledeće: „Kvantni kompjuter je vrsta analognog kalkulatora koji vrši izračunavanja tako što informaciju kodira u kratkotrajne talase koji obuhvataju materiju i svetlost na nano-skali.“

I dalje vam nije jasno? Nikome nije.

Možda je najbliži istini bio Alan Barak, direktor kompanije D-Wave koja pravi kvantne kompjutere: „Da budem potpuno iskren, sve što znamo o kvantnoj mehanici ne može da objasni kako radi jedan kvantni kompjuter.“ I sad je na autoru ovog teksta da bude pametniji od svih i objasni ono što se objasniti ne može. Ali hajde da probamo.

DELIKATNOST KUBITA

Već smo pomenuli da je u osnovi klasičnih kompjutera bit – nula ili jedinica. Kod kvantnih kompjutera umesto bitova imamo „kvantni bit“ ili kubit (qubit). U fizičkom smislu, kubit može da bude jedan foton, par spregnutih elektrona unutar provodnika ohlađenog do apsolutne nule, jedan atom na tacni od silicijuma, jon kontrolisan elektromagnetnim poljem ili nešto stoto. U svakom slučaju, kubit je zbog svoje veličine vrlo osetljiv i svaka manipulacija kubitima je vrlo delikatan proces.

Na tako minijaturnoj skali svaka čestica ima određena svojstva koja najčešće nemaju ekvivalent u makroskopskom svetu. Ta svojstva zajedno definišu tzv. kvantno stanje čestice. Ako je to stanje kontrolisano i merljivo, imamo kubit, osnovnu računarsku jedinicu kvantnog kompjutera. Jedan kubit ne predstavlja ništa, kvantni računar nastaje tek kad povežete više kubita u jednu celinu. Tako spregnuti kubiti imaju neuporedivo veću računarsku snagu u odnosu na isti broj povezanih bitova. Ova snaga proističe iz dva kvantna fenomena: superpozicije i sprezanja.

SUPERPOZICIJA

Zamislite novčić bačen u vazduh. On će na kraju pasti na pod, na jednu ili drugu stranu, na nulu ili jedinicu. U svetu klasičnih kompjutera ovo su jedina dva moguća ishoda. Kubit, međutim, predstavlja bačeni novčić koji se još uvek vrti u vazduhu. U svom kvantnom stanju kubit sadrži oba krajnja rezultata, i nulu i jedinicu. Superpozicija predstavlja sposobnost kubita da bude u oba različita stanja istovremeno (ako vas neko pita „a kako je to moguće?“, odgovor treba da glasi: „kvantna mehanika!“). Kubit je, prosto rečeno, objekat koji u datom trenutku ima vrednost 0 ili 1 sa određenom verovatnoćom. Kubit može da „naginje“ jednoj od ove dve vrednosti, a suština kvantnih proračuna je da se ovo „neodređeno“ stanje prevede u stanje u kome kubit ima vrednost 0 ili 1, eliminišući element slučajnosti.

Kako bi se kubit preveo u stanje superpozicije, koriste se laseri ili mikrotalasi. Zahvaljujući superpoziciji, kubiti mogu da učestvuju u analizi ogromnog broja potencijalnih rešenja u isto vreme. Tokom kvantnih izračunavanja, kvantno stanje kubita evoluira ka jednoj ili drugoj ekstremnoj vrednosti. Uticaji koji vode ka pogrešnom rešenju međusobno se poništavaju dok se oni koji vode ka tačnom rešenju sabiraju i pojačavaju. Tek u trenutku završnog merenja kvantno stanje kubita dobija svoju konačnu vrednost koja predstavlja deo konačnog rešenja: nulu ili jedinicu.

Još jedan primer superpozicije: zamislite lavirint i zadatak da nađete izlaz iz njega. Klasični kompjuteri jednostavno prave nasumične pokušaje. Prvi pokušaj biće, na primer, skretanje ulevo. Ako se ovo pokaže kao pogrešna strategija, naredni pokušaj biće skretanje udesno. I tako na svakoj raskrsnici lavirinta na koju kompjuter naiđe. Proces je u svakom slučaju dugotrajan ali vodi do krajnjeg cilja. Kod kvantnog kompjutera, zahvaljujući superpoziciji kubita, moguće je istovremeno skrenuti i levo i desno. Kvantni kompjuter istražuje obe mogućnosti istovremeno kao da funkcioniše u dve paralelne dimenzije. Broj mogućnosti raste sa svakom novom raskrsnicom ali se složenost proračuna ne povećava. Povećava se samo broj dimenzija problema. Ključna karakteristika kvantnog kompjutera je da on ove dodatne dimenzije rutinski tretira kao jedan veliki multidimenzionalni prostor u kome svaka dimenzija sadrži jedno od mogućih rešenja.

Ako mislite da je ovo suviše uvrnuto, sačekajte, treba da uvrnemo stvar još malo.

SPREZANJE

Drugi kvantni fenomen, sprezanje, predstavlja sposobnost kubita da se uparuju tako da se nalaze u identičnom kvantnom stanju. Promena stanja jednog kubita trenutno se odražava i na spregnuti kubit, čak i ako se on nalazi na veoma velikom rastojanju. Postoje indicije da se ova promena stanja dešava brzinom većom od brzine svetlosti. Zamislite da vaš auto ofarbate u crveno a komšijin auto, trenutno parkiran ispred neke grčke plaže, momentalno dobije istu boju. To bi bilo „sprezanje“. Ajnštajn je ovu pojavu nazvao „sablasnom akcijom na daljinu“ a kvantna mehanika još uvek nema zadovoljavajuće objašnjenje za ovaj fenomen. Svejedno, niko nas ne sprečava da koristimo čak i ono što ne razumemo („izgleda šašavo, ali deluje“).

Za razliku od klasičnih kompjutera čija je snaga, otprilike, proporcionalna broju bitova, snaga kvantnih kompjutera raste strahovito brzo sa dodavanjem novih kubita, upravo zahvaljujući kvantnom sprezanju. Kako se broj kubita bude povećavao, superračunari će sve teže držati korak. Kada kvantni računar, kroz pet ili deset narednih godina, bude imao oko 70 stabilnih kubita, superračunar će morati da zauzme površinu čitavog jednog grada kako bi držao korak u kompjuterskoj snazi. Na duge staze, superkompjuteri će izgubiti ovu trku. Ali samo pod uslovom da kvantni kompjuteri prežive.