Od letošnjega februarja do danes vsake toliko časa naletimo na kakšno novo informacijo o »prvem komercialno dosegljivem kvantnem računalniku«, poimenovanem Orion, ki ga naj bi razvilo kanadsko podjetje D-Wave. Kljub tolikšni medijski odmevnosti pa je dejstvo, da vse, kar lahko Orion izračuna, vključno z ugankami Sudoku, bistveno hitreje opravi tudi najslabši navaden računalnik na naši mizi. Nekateri Orion hvalijo, drugi se iz njega norčujejo, najbolj skeptični pa še zmeraj dvomijo in ne verjamejo, da bodo uporabni kvantni računalniki sploh kdaj zgrajeni.

PRVI »KVANTNI«ZASLUŽEK

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. Orionov procesor sestavlja 16 majhnih prstanov, po eden za vsaki kubit, ki so ohlajeni skoraj do absolutne ničle (-273 stopinj), da lahko elektroni tečejo skozi brez upora. Medtem ko znanstveniki že več kot pol leta razpravljajo o tem, ali bo Orion pripeljal do resničnih procesorjev z več tisoč kubiti, torej ali je to sploh kak mejnik, se D-Wave pripravlja na komercialno oddajanje uporabe Oriona že do konca leta.

Zaenkrat ne vemo, ali je kdo sprejel ponudbo, če pa je, bo šlo za prvi primer, da je kdo kaj zaslužil s kvantnimi računalniki. 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. Vodje podjetja so obljubili povečanje števila kubitov s 16 na 1000 že do konca leta.

Nekateri znanstveniki so uspeh podjetja D-Wave sprejeli optimistično. Tako inženir mehanike na MIT-u Seth Lloyd pravi, da je »konkretni dosežek potencialno soliden«. Nekateri drugi znanstveniki pa so bolj skeptični. Fizik John Martins z Kalifornijske univerze v Santa Barbari poudarja, 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).

»NAPIHNJENI« SISTEMI

Ustanovitelj podjetja D-Wave pa se ne da: »Zgradili bomo kvantne računalnike in videli, ali se obnašajo kot je treba.« Orion pa ni prvi primer kakršnega koli uspeha v zvezi s kvantnimi računalniki. Leto prej, marca lani, je David Deutsch, fizik na Univerzi v Oxfordu, o skeptikih glede kvantnih računalnikov zapisal: »Trdili so, da tega ne bo mogoče narediti, trdili so tudi, da to ne bo praktično – in so se motili.« Deutsch namreč verjame, da bomo »kmalu« dočakali resnične kvantne računalnike, ki bodo nenavadne lastnosti kvantne mehanike uporabljali za opravljanje zahtevnih izračunov več milijonkrat hitreje od najmočnejših superračunalnikov našega časa. Takšne naprave bodo, verjame Deutsch, preobrazile kriptografijo in številna druga področja ter revolucionirale industrijo računalnikov. Oxfordski fizik se ne ozira preveč na skeptike, ki opozarjajo, da imajo raziskovalci kljub »bleščečim napovedim« zaenkrat le napihnjene kvantne sisteme, »sposobne reševati matematične probleme, ki jih tudi otroci v glavnem rešujejo na pamet«.

Naj opomnimo, da je tudi sam Deutsch, ki je leta 1985 narisal prvi načrt kvantnega računalnika, še leta 2005 govoril, da smo od uporabnih kvantnih strojev oddaljeni najmanj 20 let. Poleti 2005 pa mu je Simon Benjamin, tudi sam raziskovalec na Oxfordu, predstavil svojo zamisel o »stanjih roja« (cluster state), ki bi lahko rešila poglavitne težave, s katerimi se srečuje kvantna skupnost. Gre za drugačno določanje načina, na katerega kvantni računalnik obdeluje informacijo, pri čemer najprej poskrbi za najnezanesljivejše bite izračunov. Omogočeno pa je tudi bistveno zanesljivejše povečevanje sistema s ciljem izvajanja vse večjih izračunov. Glede na takšne obljube je razumljivo, da je Benjaminova zamisel spremenila Duetschevo vizijo, ki je na podlagi novih argumentov svojih »najmanj 20 let« pretvoril v »največ 10 let«.


Kvantni računalnik z rojem kubitov
Kvantni računalnik s stanjem roja:V »tradicionalnem« kvantnem računalniku se manipulira s štirimi kubiti (skrajnja leva vrsta na večji risbi), do izračuna pa pride postopoma, korak za korakom. V stanju roja, ki je na risbi prikazan kot mreža, vsaka vrsta kubitov predstavlja enega od korakov ali vrsto izračuna, z leve na desno, dokler niso pridobljeni odgovori (skrajnja desna vrsta na risbi). To pomeni, da je že pred izračunom treba nastaviti vse povezave oziroma vozle (glej manjšo sliko).

Metoda povezovanja (v vozle): Vsak kubit (1 ali 0) reagira na laserski žarek (ki se na manjši risbi ne vidi) s pošiljanjem fotona (0) ali brez tega (1). Da povežemo dva izmed kubitov, postavimo cepilec žarka in detektor tako, da pri pošiljanju samo enega fotona ne vemo, kateri kubit ga je poslal. Foton s katerega koli od dveh detektorjev lahko namreč pride skozi cepilec ali se z njega odbije. S tem postopkom priprave oziroma trikom omogočamo istočasno uporabo velikega števila kubitov oziroma kompleksne izračune.

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 oz . kubiti pa obstajajo v superpozicijskem stanju, istočasno kot 1 in 0. Šele kadar kdo poskuša meriti stanje kubita, se bo kvantni bit ustalil v enemu stanju. To je podobno primeru pregovorne Schrödingerjeve mačke v škatli, ki je obenem živa in mrtva, vse dokler kdo ne odpre škatle. Nekdo je to prednost kvantnega računalništva – da vsebuje obe vrednosti – opisal kot »pridobitev dveh izračunov za ceno enega«. To seveda ni vse, saj kvantno računalništvo izkorišča tudi fenomen »vozlov«, to je povezovanja dveh ali več kubitov, s čimer se povezujejo tudi njihove lastnosti.

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«. Vozli se običajno ohranjajo z laserskimi impulzi, ki tudi omogočajo njihovo manipuliranje. 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). Raziskovalci lahko zaenkrat istočasno manipulirajo deset kubitov, kar ni ravno veliko. 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. Pohod kubitov se je začel. Mnogi verjamejo, da bo to tudi pohod kvantnih računalnikov.

Esad Jakupovič