Velika očekivanja

Svi današnji kvantni računari pate od „dekoherencije“, (pre)osetljivosti na spoljašnje uticaje, čak i one najmanje. Upravo kontrola dekoherencije kvantne računare čini tako komplikovanim i skupim. Najmanja vibracija, priliv toplote ili fizički kontakt mogu nekontrolisano da promene ili očitaju kvantno stanje kubita pre nego što on završi svoje učešće u izračunavanju.

Zato se kubiti smeštaju u strogo kontrolisano okruženje, najčešće vakuum, uz temperaturu blisku apsolutnoj nuli. Iako su kubiti minijaturni, kvantni kompjuter ima veličinu velikog frižidera u kome se najveći deo opreme koristi za sprečavanje dekoherencije. Sa svim tim cevima, blokovima za hlađenje, stvaranje i održavanje vakuuma, kvantni kompjuter više liči na instalaciju Hansa Gigera pozajmljenu iz serijala Osmi putnik nego na mašinu za računanje.

I pored toga, nemoguće je izbeći sve negativne uticaje okoline na kvantne proračune. Zato je potreban neki mehanizam koji će kubite učiniti robusnijim. Jedan od mogućih načina je da se više pojedinačnih kubita grupiše u jedan veliki logički kubit, koji bi bio manje osetljiv. Nažalost, jedan takav logički kubit zahtevao bi nekoliko stotina, ako ne i nekoliko hiljada standardnih kubita, što daleko prevazilazi današnje tehnološke mogućnosti (stotinak kubita po jednom kvantnom računaru).

Upravo zbog toga, kvantni kompjuteri još uvek nisu „zreli“ da odmene klasične računare kada su u pitanju odluke koje mogu da imaju imaju kapitalne konsekvence. Berzanske kalkulacije, bankarske transakcije, državna bezbednost, kontrola leta, upravljanje vozilima… sve su to oblasti u kojima kvantni kompjuteri još uvek nemaju šta da traže jer svaka greška ili krah u računu mogu da imaju nesagledive posledice. Vrlo lako se može desiti da za problem dekoherencije ne bude valjanog rešenja u narednih deset ili dvadeset godina, što predstavlja realnu opasnost da čitava tehnologija završi na slepom koloseku, u nekom magacinu briljantnih ideja koje su poklekle pred tehničkim poteškoćama.

ENTUZIJASTI PROTIV SKEPTIKA

Zasad entuzijazma ipak ne manjka i kvantni kompjuteri, koliko god trenutno bili ograničeni, polako nalaze svoje mesto pod suncem. „Folksvagen“ koristi ove kompjutere za projektovanje efikasnijih baterija za svoje električne automobile. Farmaceutske kuće istražuju hipotetične supstance koje bi predstavljale osnovu budućih lekova. Kvantni kompjuteri imali su svoju ulogu i u CERN-u, prilikom epohalnog otkrića Higsovog bozona. „Erbas“ koristi kubite kako bi sračunao putanje poletanja i sletanja aviona sa minimalnim utroškom goriva.

„Folksvagen“ je nedavno obelodanio i servis koji bira optimalne rute za autobuse i taksi vozila kako bi se smanjila hronična zagušenja u saobraćaju. Odjeknula je i vest da je prošle nedelje, u Štutgartu, Nemačka pustila u rad svoj najmoderniji kvantni kompjuter, a događaj je najavila Angela Merkel, nemačka kancelarka i kvantna hemičarka po profesiji: „Kada su kvantne tehnologije u pitanju, Nemačka je među vodećim državama u svetu i tu namerava i da ostane“ (puna istina je da su Nemci svoj kvantni kompjuter sagradili u saradnji sa IBM-om i da bez američkog zelenog svetla do realizacije ne bi ni došlo).

Sve ovo je logična posledica ogromnih ulaganja u kvantne kompjutere u poslednjih petnaestak godina. Kvantni kompjuteri mogu da promene svet. Mogu da unaprede medicinu, ubrzaju razvoj veštačke inteligencije ili promene način na koji komuniciramo. Kvantni kompjuteri mogu da obave milione računskih operacija u jednoj mikrosekundi. Sve ovo su tipični novinski naslovi kad god se pomenu kvantni kompjuteri.

Ono što nedostaje celom poduhvatu je neki spektakularan rezultat. Kvantni kompjuteri jesu demonstrirali svoju snagu u više manjih, izolovanih oblasti, ali ništa od toga nije dospelo na naslovne strane. Mi još uvek imamo samo „osećaj“ da će neki kvantni kompjuter rešiti problem trgovačkog putnika u svega nekoliko sekundi. Ali to tek treba da se desi, ako se uopšte bude desilo. Armija skeptika raste istom brzinom kao i armija entuzijasta.

U međuvremenu, naučnici su razvili inovativne, ultrabrze algoritme za razne vrste problema, ali da bi iskoristili njihovu moć, potrebno je mnogo više od 56 kubita, koliko ih ima trenutno najstabilniji kvantni kompjuter. Neki od tih revolucionarnih kvantnih algoritama u međuvremenu su obesmišljeni unapređenjem algoritama koje koriste klasični kompjuteri. Zato ne čude prvi znaci da se investitori, naročito oni privatni, pomalo „hlade“ i povlače jer je napredak neizvestan, spor i mukotrpan. Ipak, para još uvek ima. Trenutno je mnogo veći problem manjak firmi koje proizvode kritične hardverske komponente (poput superprovodnih kablova) i nedostatak kvalifikovanog naučnog kadra. Procenjuje se da u čitavom svetu na razvoju kvantnih kompjutera radi svega nekoliko hiljada stručnjaka, po nekima čak i manje, svega nekoliko stotina.

Isuviše malo za tako velika očekivanja.

UGROŽENA KRIPTOGRAFIJA

Kvantni kompjuteri mogli bi da potkopaju same temelje kriptografije koja štiti tajnost i integritet podataka koji putuju internetom. Kad god pokrenete svoj pretraživač i u njemu vidite adresu koja počinje sa „https“, možete biti sigurni da je komunikacija između vašeg kompjutera i udaljenog servera bezbedna, čak i ako tu komunikaciju posmatra neko sa strane (ministar Vulin, recimo). Bezbednost se postiže tako što server šifruje zatražene podatke (vaše elektronske poruke, stanje na bankarskom računu ili nešto treće), a zatim kroz mrežu šalje naizgled besmislen niz simbola koji će tek u vašem računaru biti dešifrovani i vraćeni u prvobitan oblik. Ako bi se neko „ubacio“ između vašeg računara i servera (pomenuti ministar, na primer), došao bi u posed ogromne količine šifrovanih podataka, ali ne bi mogao da ih iskoristi jer, jednostavno, ne poseduje „ključ“ da te podatke prevede u čitljivi oblik.

U stvarnosti, sam mehanizam je mnogo komplikovaniji nego što je gore opisano. U jednom trenutku vaš kompjuter i server moraju nekako da se dogovore i razmene pomenuti ključ kojim se podaci šifruju i dešifruju. Odmah se nameće logično pitanje: da li je moguće da neko presretne tu šifru u trenutku razmene i kasnije je iskoristi za dešifrovanje vaše komunikacije, a da vi to i ne znate? Budite bezbrižni jer tako nešto, bar zasad, nije moguće. Za inicijalnu razmenu ključa koriste se složeni kriptografski sistemi od kojih je najpoznatiji RSA (Rivest-Šamir-Adelman). Ovaj sistem enkripcije počiva na tzv. „asimetričnom ključu“, gde se jedan (tzv. javni) ključ koristi za šifrovanje, a drugi (tzv. tajni) ključ za dešifrovanje podataka.

Da biste razumeli osnove RSA, nije potrebna diploma iz matematike. U koju god školu da ste išli, sigurno ste čuli za proste brojeve. To su brojevi koji su bez ostatka deljivi samo jedinicom i samim sobom. Drugim rečima, to su brojevi koji se ne mogu napisati kao proizvod dva manja broja. Na primer, uzmimo broj 13: ne postoje dva manja broja čijim se množenjem dobija 13. Još u anitčko doba Euklid je dokazao da niz prostih brojeva (2, 3, 5, 7, 11, 13, 17…) nema kraj. Sa druge strane, broj 35 nije prost jer je 35=5×7. Postupak nalaženja ovih manjih brojeva, takozvanih „faktora“ (5 i 7), na osnovu „velikog“ broja (35) zove se faktorizacija i jedan je od najznačajnijih problema u teoriji brojeva.

Na prvi pogled, reklo bi se da je faktorizacija vrlo prosta stvar. Prosečno talentovan osnovac brzo će „napipati“ da se broj 91 može napisati kao 7×13. Ali ako umesto broja 91 izaberete neki znatno veći broj, recimo 137.703.491, ispostaviće se da je problem faktorizacije isuviše težak ne samo za osnovca, već i za profesionalne matematičare. Da bi se ovakav broj faktorisao, potreban je kompjuter koji brojeve „melje“ mnogo brže. Ispostaviće se da su traženi faktori 7.919 i 17.389. Ako umesto gore navedenog devetocifrenog broja uzmete neki koji ima na hiljade cifara, ispostaviće se da je problem faktorizacije nezamislivo težak, toliko težak da ni najbrži superkompjuteri današnjice nisu u stanju da faktorišu tako veliki broj ni za nekoliko stotina godina.

Kakve sve ovo veze ima sa kriptografijom? U srcu RSA algoritma nalaze se upareni asimetrični ključevi. Uzmite nasumično dva ogromna prosta broja i pomnožite ih. Dobićete još veći broj koji služi kao ključ za šifrovanje podataka. Ovaj ključ ima javni karakter i možete da ga štampate u novinama: ceo svet može da koristi taj ključ za šifrovanje podataka koje šalje vama. Ali da bi se šifrovani podaci vratili u originalni oblik, potreban je ključ koji čine ona dva manja, izvorna broja koja znate samo vi. Tajnost šifrovane poruke štiti upravo činjenica da je faktorizacija, odnosno odgonetanje ona vaša dva tajna broja na osnovu njihovog proizvoda, iako izvodljiva u teoriji, zapravo „nemoguća misija“ u praksi zbog količine kompjuterskih resursa i vremena potrebnog za tako nešto.

TEORIJSKA PANIKA U NAJAVI

Iako teoretičari zavere smatraju da su kreatori RSA algoritma ostavili neka „tajna vrata“, koja omogućavaju državnim službama da „razvale“ enkripciju i dočepaju se svih tajni ovog sveta, matematičari koji se već decenijama bave ovom problematikom tvrde da rupe ne postoje. Što ne znači da se matematičari ne bave traženjem sve efikasnijih algoritama za faktorizaciju velikih brojeva. Kada bi neko našao recept za brzu faktorizaciju korišćenjem klasičnih kompjutera, to bi preko noći srušilo internet koji poznajemo. Nastala bi panika neopisivih razmera i sve banke, državne institucije i organizacije koje barataju poverljivim podacima morale bi da ukinu internet pristup sve dok se ne implementira neki bolji način zaštite podataka.

Kvantni kompjuteri su realna pretnja da se tako nešto desi, možda ne na današnjem stupnju razvoja, ali u bliskoj budućnosti – ko zna? Korišćenjem Šorovog algoritma, koji je primenljiv samo na kvantne ali ne i na klasične kompjutere, moguće je vreme faktorizacije skratiti sa nekoliko vekova na nekoliko sati, dan ili dva. Zašto, međutim, RSA i dalje odoleva i zašto još uvek niko ne paniči? Zato što vam je za Šorov algoritam potreban kvantni kompjuter koji ima neuporedivo više kubita u odnosu na današnje standarde.

Kada je „Gugl“ preuranjeno objavio „kvantnu supremaciju“, na raspolaganju je imao kvantni kompjuter od 54 kubita. „IBM“ je dostigao otprilike isti broj kubita, dok manje kompanije razvijaju prototipe kvantnih računara gde broj kubita ide od pet do 20. Dodavanje samo jednog kubita u kvantni računar predstavlja ogroman tehnički izazov. Sa druge strane, višestruko povećanje broja kubita je problem epskih proporcija. Današnji kvantni kompjuteri jednostavno su isuviše slabi da korišćenjem Šorovog algoritma faktorišu velike brojeve. Da bi se tako nešto postiglo, potrebno je imati milione kubita otpornih na dekoherenciju. A to je na današnjem nivou tehnologije jednostavno nezamislivo.

Dosadašnji „rekord“ više je nego skroman i postavljen je 2012. godine kada je korišćenjem kvantnog kompjutera faktorizovan broj 21 (3×7). „IBM“ je 2019. svojim kvantnim kompjuterom pokušao faktorizaciju broja 35, ali se kvantni kompjuter „raspao“ usled dekoherencije pre nego što je generisao rezultat (5×7). Ovi naizgled patetični pokušaji progutali su stotine miliona dolara, ali investitori i dalje čekaju u redovima da istresu svoje džepove za silne kubite koje tek treba napraviti.

Kvantna »supermacija«

KONKURENTI: Guglov kvantni kompjuter „Sikamor“ (levo) i IBM-ov super-kompjuter „Samit“

Priličan broj inženjera angažovanih na razvoju kvantnih računara ne krije nameru da dokažu takozvanu „kvantnu supremaciju“ (sama reč „supremacija“ izabrana je krajnje nesrećno pošto je u međuvremenu postala politički nekorektna). Drugim rečima, namera im je da reše jedan od klasičnih matematičkih problema brzinom koja je daleko iznad mogućnosti najjačih svetskih superkompjutera. A to nije lako jer superkompjuterski hardver postaje sve moćniji, baš kao što se usavršavaju i algoritmi koje takve monstrum-mašine koriste.

„Gugl“ je 2019. godine objavio da je njegov kvantni kompjuter „Sikamor“ dostigao nivo „kvantne supremacije“ jer je za 200 sekundi rešio problem koji najjači „IBM“-ov superkopmjuter, „Samit“, ne bi mogao da reši ni za 10.000 godina. Naučna zajednica je, međutim, ostala podeljena: mnogi smatraju da je „Gugl“ osmislio krajnje specifičan problem čije rešenje nema nikakvu upotrebnu vrednost, samo da bi na izolovanom primeru dokazao kompanijsku superiornost u odnosu na konkurenciju. Uz to, „IBM“ tvrdi da je „Guglov“ „Sikamor“ neupotrebljiv za rešavanje drugih praktičnih problema i da je „Gugl“, prilikom poređenja rezultata, znatno potcenio snagu „Samita“ i drugih superkompjutera. „IBM“ čak tvrdi da „Samit“ ima praktično identične, ako ne i bolje performanse od „Sikamora“.

Ima naučnika koji smatraju da je „kvantna supremacija“ besmisleni cilj i da je pametnije koncentrisati snage i sredstva na ono što kvantni računari već mogu da urade, umesto na ono što bi mogli da urade u idealnim okolnostima. Mnoge firme uveliko eksperimentišu s kvantnim kompjuterima koje proizvode „IBM“, „Rigetti“ ili „D-Wave“ (na IBM-ovom sajtu možete da igrate karte sa njihovim kvantnim kompjuterom). Kina je takođe investirala milijarde u kvantni program. „IBM“ i „Alibaba“ već nude pristup svojim kvantnim kompjuterima preko interneta, a u pripremi su i slični servisi „Majkrosofta“ i „Amazona“. Tako je i nama, smrtnicima i šarlatanima, omogućeno da se, makar na kratko, poigramo ovim egzotičnim, skupim mašinama.