Je IBM res naredil prvi komercialni kvantni računalnik?
Marjan Kodelja 18. januarja 2019 ob 06:40

Kvantno računalništvo je časovno še vedno dokaj oddaljeno, čeprav je IBM na sejmu CES predstavil stroj, ki naj bi bil prvi komercialni kvantni računalnik.

Kvantni računalniki so prvič teoretično omenjeni v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. V osnovi njihovega delovanja so enice (1) in ničle (0), enako kot v navadnih računalnikih, le da jih v tem primeru predstavljajo elektroni, ki preskakujejo med normalnim (0) in vzbujenim (1)  energetskim stanjem. Vsak od teh kvantnih bitov (k-bitov ali kubitov, angl. qubit) pravzaprav lahko obstaja v nekakšnem vmesnem stanju, istočasno se obnašajoč kot 1 in 0. Zaradi te lastnosti lahko kubiti preizkušajo istočasno vse možnosti in tako teoretično rešujejo tudi skrajno kompleksne probleme, kot je ustvarjanje simulacij kvantnih stanj, ki obstajajo v naravi.

SCHRÖDINGERJEVA MAČKA

Pričakovane prednosti kvantnih računalnikov pred klasičnimi že dolgo navdušujejo fizike. Tradicionalni računalniki predstavljajo informacije kot bite, ki imajo vrednost 1 ali 0. Biti se v resničnem svetu prikazujejo kot električni naboji ali ravni napetosti. Kvantni biti pa obstajajo v superpozicijskem stanju, kar si lahko predstavljamo kot kroglo, katere površina ponazarja vse možne vrednosti. Šele kadar kdo poskuša meriti stanje kubita, se bo kvantni bit ustalil v nekem stanju. To je podobno primeru pregovorne Schrödingerjeve mačke v škatli, ki je obenem živa in mrtva, vse dokler kdo ne odpre škatle. Zaradi narave, da vrednost izvemo, ko se jo namenimo meriti, pa ne obstaja kvantni ekvivalent pomnilnika. Običajni računalniki izvajajo zaporedne operacije nad biti, računajo z njimi, jih shranjujejo in berejo s pomnilnika, kar po številnih zaporednih korakih pripelje do končnega rezultata. Kvantni računalnik pa vse operacije izvede hkrati in ga tudi ni mogoče programirati, kot to dojamemo dane. Je »reševalec problemov«. Vanj »stresemo« vhodne podatke, na drugi strani pa poberemo vse izhodne. Čisto drugačno računalništvo, drugačen računalnik, ki je namenjen reševanju problemov, katerim običajni ne »popraska površine«.

Kubite je mogoče tako manipulirati, da je eden zmeraj 0 če je drugi 1; ali tako, dasta oba 1. Z uporabo superpozicije in povezovanja lahko kvantni računalniki izvajajo izračune z veliko več številk kot dosedanji »klasični« računalniki. S samo nekaj sto kubitov, povezanih v vozle je mogoče istočasno predstaviti bistveno več številk, kot je atomov v vesolju. Vsaj teoretično, namreč, ker se razvoj kvantnih računalnikov šele začenja. V dosedanjih modelih so raziskovalci med drugim uporabljali energetske nivoje ionov, ujetih v električnem polju., ki so tako rabili kot kvantne enice ali ničle. V drugih primerih so kubite iskali v polarizaciji fotonov. V tretjih so uporabili vrtenje delov jedra znotraj molekul kloroforma ali vrtenje elektronov v nanokristalih, znanih po imenu »kvantne točke«.

PRIPRAVA JE POL IZRAČUNA

Ne glede na poreklo kubitov se zmeraj pojavlja isti problem: izjemno težavno je izvajati izračune in vzdrževati vozle »pri življenju«. Če pa so kubiti gosto pakirani, je težko komunicirati s katerim koli kubitom, ne da bi pri tem motili sosedje kubite. Motenje na eni strani lahko pokvari vozle, na drugi pa lahko prisili kubit, da izbere vrednost (0 ali 1). Stanje roja lahko bistveno izboljša možnosti izračunavanja. Metodo sta predložila v letu 2001 raziskovalca Robert Raussendorf in Hans Briegel z Univerze v Münchnu. Po njuni ideji se vsi vozli nastavijo na začetku izračunavanja – postopek se imenuje »enosmerno izračunavanje«. Raziskovalca sta do ideje prišla po vzoru na optično rešetko, v kateri mreža laserjev ulovi nenabite elektrone v past na presečnih točkah. S pomočjo laserskih žarkov se kubiti lahko med sabo približajo, pri čemer je olajšano ustvarjanje večkratnih vozlov.

V tem primeru pa je bistveno težje premikanje posameznih kubitov znotraj vrste, kar omejuje uporabo optične rešetke v kvantnem računalništvu. V stanju roja se zato namesto izvajanja večkratnih zaporednih operacij na isti skupini kubitov izvaja več izračunov na različnih skupinah (kolonah) kubitov. Na primer, namesto uporabe petih operacij na isti skupini se kot kvantni računalnik uporabi rešetka s petimi skupinami s po štirimi kubiti, pri čemer vsaka skupina pomeni eno operacijo. Povezovanje v vozle v vrsti predstavlja časovno zaporedje operacij, medtem ko povezovanje v skupini predstavlja operacije med skupinami kubitov. Izračunavanje v rešetki se začenja z merjenjem stanja kubitov (0 ali 1) v prvi skupini, sledi uravnavanje naslednje skupine, potem merjenje kubitov in tako do konca do rezultata izračuna. Z uporabo stanja roja se najtežji del problema »reši«, še preden se začne izračun, ki potem ne traja dolgo. Kakorkoli že, na voljo so tudi drugi postopki, ki jih razvijajo pri Hewlett-Packardu, na singapurski Nacionalni univerzi, na Univerzi na Dunaju in v drugih ustanovah v svetu.

MINILO JE DESETLETJE

Leta 2007 je kot strela iz jasnega kanadsko podjetje D-Wave objavilo, da jim je uspelo izdelati kvantni računalnik in tedaj so splošni mediji začeli o tovrstnem računalništvu pisati. Orionov procesor sestavlja 16 majhnih prstanov, po eden za vsak kubit, ki so ohlajeni skoraj do absolutne ničle (-273 stopinj), da lahko elektroni tečejo skozi brez upora. Uporabo več kubitov so že prej poskusila podjetja, kot sta IBM in NEC, a ne z velikim uspehom, saj niso mogli uporabiti več kot prgišča kubitov. V podjetju D-Wave so problem rešili z uporabo redke kovine, imenovane niobij, pri komaj pet tisočinkah  stopinje nad absolutno ničlo. Javnost je tedanji uspeh sprejela z mešanimi vtisi. Inženir mehanike na MIT-u Seth Lloyd je dejal, da je »konkretni dosežek potencialno soliden«. Nekateri drugi znanstveniki pa so bolj skeptični. Fizik John Martins s Kalifornijske univerze v Santa Barbari je poudaril, da je »kvantno stanje v sistemu podjetja D-Wave povsem minimalno« (kubiti morajo namreč delovati v enotnem skupnem kvantnem stanju, doseganje skladnosti pa je problematično).

Kanadsko podjetje je izdelalo več računalnikov po njihovo z več kubiti, čeprav do danes ni bilo razjasnjeno, ali gre v njihovem primeru za pravi »kvantni« računalnik ali pa za računalnik, ki delno izkorišča nenavadne lastnosti kvantne mehanike. Bojimo pa se, da dilema ostaja odprta tudi po smeli najavi podjetja IBM.

ZAKAJ JE IBM-OVA NAJAVA POMEMBNA?

Kot prvo gre za sistem, za »škatlo«, v kateri je računalnik popolnoma zaščiten ter ne za laboratorijski primerek, ki je videti kot garažni računalnik iz osemdesetih let. IBM trdi, da je integrirani sistem, kar pomeni, da jim je uspelo optimizirati komponente in se lahko loti izboljšav zmogljivosti sistema kot celote. Trdijo tudi, da je modularen. Pomeni, da bo mogoče zamenjati »dele« in povečati zmogljivosti, kot na primer menjamo procesor ali grafično kartico domačega računalnika, namesto da bi bilo v primeru večjih potreb treba kupiti novo več milijonov vredno »omaro«.

Previdnejši pa moramo biti pri najavi, da je sistem Q System One prvi uporaben komercialni kvantni računalnik. IBM je v svoji več kot stoletni zgodovini večkrat posegal po prvem mestu in velikokrat je prvi tudi bil. Tokrat pa je vseeno treba biti previdnejši. Če imate dovolj globoke žepe, ga lahko kupite, kompaktnost sistema in modularna zasnova pa obljubljata komercialno izvedljivost. Dvomimo pa, da je, kot trdi IBM, pripravljen za reševanje problemov, ki jih običajni računalniki ne morejo ali pa porabijo preveč časa ter je stroškovno gledano uporaba kvantnega računalnika upravičena. Komercialnost nekega izdelka namreč pomeni tudi, da se naložba vanj prej ali slej povrne.

 (Delno povzeto po članku objavljenem v reviji Moj mikro, avtorja Esada Jakupovića leta 2007).

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


 

Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
Brez komentarjev

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja