Kvantna računala su budućnost, ali dug je put do praktične uporabe

Za što služe kvantna računala, pitali su se nedavno u časopisu Nature, i tako nas podsjetili kako je priča o računalima novog doba ostala negdje u pozadini pandemije i tragičnih zbivanja u Ukrajini. No, doista, i nije bilo nečega spektakularno novoga u vezi s računalima koja imaju malo toga zajedničkog s onima kakva danas koristimo. Provokativan je čak bio taj tekst u Natureu u kojemu se ustvrdilo kako većina znanstvenika nikada nije vidjela kvantno računalo, a da bi jedan Natureov vrijedan sugovornik i potvrdio: “Pa zaista su užasna, ne mogu napraviti išta korisno.” Činjenica jest kako desetljeća razvoja nisu do sada iznjedrila računalo koje bi doista označilo prekretnicu, odnosno novo doba u računarstvu. Ali nema zabrinutosti, tvrdi se u tom tekstu, jer je sigurno da će do takve promjene doći, a razvoj zapravo napreduje kudikamo bolje od očekivanog.

Mario Stipčević, voditelj Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS), Odjel fotonika i kvantna optika, na Institutu Ruđer Bošković potvrđuje kako su kvantna računala još u razvoju.

– Ideju za kvantno računanje prvi je dao teorijski fizičar Richard Feynman 1982., no prvi konkretan korak napravio je 1994. matematičar Peter Shor razvivši algoritam koji je pokazao potencijal kvantnih računala za rješavanje određenih problema eksponencijalno brže od klasičnih računala. Ovo otkriće izazvalo je značajan interes i postavilo temelje kvantnog računalstva. Međutim, uočilo se da je kvantno računalo vrlo osjetljivo na takozvani problem dekoherencije, koja izaziva relativno brzo propadanje informacije u memoriji računala. Gotovo 10 godina činilo se da zbog toga kvantnom računanju nema spasa i da će ostati samo mrtvo slovo na papiru. No Shor je objavio revolucionarni rad o konceptu kvantne korekcije pogrešaka koji je omogućio daljnji razvoj kvantnog računarstva. Jedno od prvih kvantnih računala, IBM QX2, izgrađeno 2001. suradnjom IBM-a i Tehnološkog sveučilišta u Massachusettsu (MIT), imalo je memoriju od 7 kvantnih bitova – qubita, kaže dr. Stipčević objašnjavajući kako je ključna mjera za “jačinu” kvantnog računala količina njegove memorije, odnosno broj qubita.

– Tvrtka D-Wave Systems fokusira se na izgradnju strojeva za kvantnu optimizaciju (quantum annealing). Njen Advantage ima 5000 qubita i uglavnom služi kao pokusni kunić na kojem se ispituju moguće primjene. Istovremeno, IBM radi na “univerzalnom” računalu, koje može izvršiti i Shorov algoritam, koji je vrlo interesantan jer može poništiti sigurnost kriptografije, odnosno učiniti internet nesigurnim za komunikaciju i trgovinu, što bi imalo kataklizmičke posljedice. Jedan je od odgovora na to kvantna kriptografija, kojom se bavimo i mi na IRB-u. Trenutni IBM-ov rekorder je kompjuter Osprey s 433 qubita. Ove godine ostvarit će se Condor s 1131 qubitom, a planira se 4000 qubita do 2025. i milijun do 2030. godine – govori ovaj naš znanstvenik. Nema još naznaka o tome kada bi se ambicija stvaranja prvoga korisnoga kvantnog računala mogla ispuniti, ali sasvim je sigurno da je već do sada napravljen velik posao oko napretka ove prijelomne tehnologije. Svakako je stvaranje takvog računala zanimljivo ne samo znanosti već i poslovnom sektoru jer kvantna računala mogla bi donijeti nevjerojatna ubrzanja u razvoju lijekova, enkripcijama, donošenju odluka u novčarskim transakcijama i razvoju inovativnih materijala, unaprijediti strojno učenje, pa i shvaćanje klimatskih promjena. Dr. Stipčević je objasnio zašto još nema komercijalne primjene ovakvih računala.

– Najkraće rečeno: zbog toga što tehnologija kvantnih računala nije zrela. Put do praktične uporabe kvantnih računala ima više prepreka. Prva prepreka je cijena. Naime, kvantno računalo stoji oko 10 milijuna eura, a skup zadataka koje može riješiti brže od običnih računala vrlo je malen. Osim toga, radi se o stroju koji je velik i bučan koliko i toplinska stanica manje višestambene zgrade, a troši i otprilike toliko energije – nije baš nešto što ćete kupiti sinu gameru za uspješan kraj školske godine! Druga prepreka je točnost qubita, koja trenutno iznosi otprilike 21 decimalu: kad se to pomnoži s brojem qubita i brojem uzastopnih operacija potrebnih da bi se riješio zadatak, dolazi se do netočnosti koja je za mnoge primjene prevelika. Treći je problem relativno mala memorija: ako želite da vam kvantno računalo riješi neki problem, onda kao prvo opis toga problema treba stati u njegovu memoriju, a potom ona mora biti dovoljna i da se dođe do rješenja. Na kraju, tu je problem programiranja kvantnih računala: programski jezik postoji, ali ima vrlo malo programera koji ga razumiju – kazao je ističući kako je poseban problem u primjeni ograničen skup algoritama koje kvantno računalo može izvršiti znatno brže od običnog računala te kako neki relevantan problem riješiti putem tih algoritama. Za to trenutno nema recepta, već se rješavanje svodi na dosjetke i metode pokušaja i pogreške. Prevladavanje tekućih ograničenja ključni je fokus istraživanja u kvantnom računalstvu.

Postoje i prijepori unutar znanstvene zajednice o tome kako uopće pravilno izmjeriti mogućnosti, dakle performanse, takvog računala. Uza sve izračune koji dokazuju da je tako, kvantnim računalima ide u prilog i velik interes za njihov razvoj diljem svijeta i to, naravno, u vodećim znanstvenim institucijama. Čini se da postoji konsenzus kad je riječ o sigurnosti kvantne budućnosti iako još nema odgovora na pitanje – kada.

– Na to pitanje nema odgovora. U povijesti tehnike imamo primjere da se zbog velikih ulaganja i slabih rezultata od nečega vrlo značajnog odustalo ili je došlo do duge pauze. Tako je, na primjer, otkriće MOSFET tranzistora ležalo 30 godina u ladici jer ga se nije moglo tehnološki realizirati, a danas je on osnova svih digitalnih uređaja. Rekao bih da se u razvoj kvantnog računala slijeva znatan novac i napori jer nijedan globalni centar moći ne želi riskirati da netko drugi prije dođe do tehnološkog rješenja – kaže dr. Stipčević.