Linkovi

Google utvrdio jedan miljokaz budućnosti: kvantna supremacija


This handout photo shows Google's Sycamore quantum processor, which the company says successfully demonstrated quantum supremacy for the first time. (Google)

IT naučnici iz kompanije Google su potvrdili glasinu kako je njihov kvantni kompjuter postigao ono što se zove „kvantna nadmoć“ ili „kvantna supremacija“ tj. tačka u razvoju kvantnih kompjutera na kojoj su oni u stanju obavljati radnje nedostižne klasičnim kompjuterima današnjice u razumnom vremenu.

Najava je objavljena u časopisu Nature 23. oktobra 2019. godine. Sama informacija o postizanju kvantne supremacije datira nešto ranije, iz septembra ove godine, kada je Google objavio naučni rad, pa ga povukao. U tom kratkom pojavljivanju originalnih podataka, samo rijetka uredništva su imala priliku steći uvid u podatke Google, te je čitav događaj ostao samo na novou glasine.

Vijest je prvo objavio Financial Times, a kasnije prokometarisao i New Scientist, čije je uredništvo uspjelo vidjeti originalne podatke. Međutim sve do oktobra, podaci o ovom događaju koji su procurili u javnost, nisu bili potvrđeni.

Na kraju je naučni tim koji predvodi John Martinis, eksperimentalni fizičar na Univerzitetu u Kaliforniji Santa Barbara i Google u Mountain Viewu, Kalifornija, potvrdio kako je ovaj kvantni kompjuter, zvani Sycamore, izveo specifičnu računsku operaciju koja je izvan praktičnih mogućnosti klasičnog kompjutera. Googleov kvantni procesor je riješio problem slučajnog uzorkovanja - odnosno provjeravao je da skup brojeva imao zaista slučajnu distribuciju.

Iz Google kažu kako bi najboljem klasičnom kompjuteru današnjice za izvođenje ove radnje trebalo oko 10 000 godina. Ova radnja ima vrlo usku aplikativnu funkciju, ali je samo postignuće veliko.

Prije svega nekoliko dana, objavljeno je da je još jedan Googleov projekat, umjetna inteligencija nazvana AlphaStar pobijedio najbolje igrače igrice StarCraft II. Radi se o strateškoj i vrlo broj igri i nije se očekivalo da će vještačka inteligencija tako brzo ovo uspjeti. Riječ je o vještačkoj inteligenciji baziranoj na klasičnoj tehnologiji, ali predstavlja uvid u stvari koje dolaze u budućnosti, a jedna od kojih su i kvantni računari.

Kako se kvantni kompjuteri razlikuju od klasičnih?

Kvantni kompjuteri su daleko obećanje napretka. Naime, ovi kompjuteri se ne bi zasnivali na bitu – današnjim mjernim jedinicama informacija, nego na kjubitima (eng. qubits od quantum bit – kvantni bit). Kjubiti se zasnivaju na specifičnom svojstvu kvantnih čestica da mogu biti u dva kvantna stanja istovremeno. Ovaj fenomen nazivamo superpozicija. Računari kod kojih su kjubiti osnovne jedinice organizacije informacija zovemo kvantni računari.

This handout photo from October 2019 shows a component of Google's quantum computer in a Santa Barbara lab, California, U.S. (Google/Handout via REUTERS)
This handout photo from October 2019 shows a component of Google's quantum computer in a Santa Barbara lab, California, U.S. (Google/Handout via REUTERS)

Klasični bit može ili 1 ili 0. Međutim, kjubiti mogu postojati u ta dva stanja odjednom. Bit (od engl. binary digit—binarna cifra) može biti jedinica ili nula i tada kažemo da se kjubit nalazi u superpoziciji stanja. Dr. Harun Šiljak, Marie Curie postdoktoralni istraživač na Trinity College Dublin, bavi se kompleksnim sistemima i reverzibilnim računanjem i objašnjava za Glas Amerike kakvu korist možemo imati od kjubita i njihovog stanja superpozicije:

„Ova neobična osobina kjubita im omogućava da sačuvaju više informacija od bita, te da uz pomoć algoritama posebno pripremljenih za kvantne računare, ubrzano izvršavaju neke složene računske operacije. Na papiru to znači da, recimo, mogu rastavljati velike brojeve na proste faktore jako brzo i to je primjer operacije koja predstavlja problem za klasične računare te se zato i koristi u kriptografiji. Zašto kažem „na papiru“? Za praktičnu realizaciju ovog i sličnih algoritama potrebni su veći kvantni računari od onih koje trenutno imamo“ , govori dr Šiljak.

Kad su kjubiti neraskidivo povezani, fizičari bi teoretski mogli iskoristiti interferenciju kvantnih stanja kako bi izvršili proračune koji bi u suprotnom mogli trajati jako dugo. Suštinski, to znači da bi ovakvi kompjuteri mogli obavljati operacije brže i imati veći kapacitet pohrane podataka. Googleov Sycamore je radio pomoću 53 operativna kjubita, a ima ih 54, s time da je jedan bio pokvaren.

„Baš kao i drugo Googleovo „čedo“, Alpha Go, Sycamore ima za cilj da konkurenciju pobijedi u tačno određenom scenariju, pod tačno određenim uslovima i pravilima. U slučaju Alpha Go, radilo se o nadmoći vještačke inteligencije nad ljudima—igračima igre go, dok u slučaju Sycamore, radi se o pokazivanju nadmoći kvantnog računara s nešto više od 50 kjubita nad svim postojećim računarima u rješavanju jednog problema za koji su kvantni računari posebno pogodni“, govori dr. Šiljak.

Definicija kvantne nadmoći je upravo to—nastupa onog trenutka kad se pokaže da postojeći kvantni računari mogu izvršiti neku radnju u razumnom vremenu (recimo nekoliko minuta), dok najjačim klasičnim kompjuterima za istu operaciju nekoliko vijekova.

This Feb. 27, 2018, photo shows electronics for use in a quantum computer in the quantum computing lab at the IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, N.Y. (AP Photo/Seth Wenig)
This Feb. 27, 2018, photo shows electronics for use in a quantum computer in the quantum computing lab at the IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, N.Y. (AP Photo/Seth Wenig)

Za šta ćemo koristiti kvantne kompjutere i kada ćemo ih imati?

Ovakvi kompjuteri bi bili jako važni u simulacijama strukture molekule, jer danas je to jedna od najzahtjevnijih operacija za klasične kompjutere, s obzirom da se radi o izuzetno finim i kompleksnim proračunima. IBM-ov kvantni kompjuter je 2017. uspio simulirati strukturu molekule berilijum hidrida. Računanje najnižeg energetskog stanja atoma i molekula je važan prvi korak za mnoge aplikacije.

Naučnici se nadaju da će napredak ove tehnologije, algoritama i brzine procesuiranja pomoći da bolje razumijemo postojeće molekule i otvoriti mogućnosti kreiranja sasvim novih molekula, primjerice molekula lijekova. I to je prava vrijednost kvantnih kompjutera. Međutim, kada ćemo imati operativne kvantne računare koji će ovo moći raditi? Procjene variraju, a zavisi od toga koliko brzo ćemo moći stvoriti komercijalno isplative uslove proizvodnje.

Stvar je u tome što jedan bit u klasičnom računaru možemo pohraniti korištenjem jednog tranzistora—zamislimo da se radi o običnom prekidaču. Nije problem proizvesti i uvezati stotine, hiljade, pa i milione takvih prekidača; imate ih u svom telefonu, ali i iza ekrana mikrovalne pećnice.

Međutim, poželite li izraditi kvantni računar sa stotinu kjubita, suočićete se s ogromnim problemima. Prekidači u ovom slučaju nisu tako jednostavni: obično se radi ili o elementarnim česticama ili o superprovodničkim strukturama—u oba slučaja vam treba puno dodatne elektroničkih uređaja i mehaničkih sistema da kjubit održite u upotrebljivom stanju.

„To često znači održavanje sistema na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, i krhki kjubiti vrlo lako mogu proizvesti greške pod utjecajem spoljnih efekata, tzv. šuma“, objašnjava dr. Šiljak i nastavlja: „Tu na scenu stupa još dodatnih komponenti koje služe za ispravljanje grešaka, i kompleksnost raste. Kad ćemo biti spremni da se izborimo s tom kompleksnošću, još uvijek je teško reći. Vjerovatno nam treba revolucionarno otkriće da preskočimo nekoliko stepenica, pošto je trenutni napredak prilično spor.“

Iz IBM-a drugačija mišljenja

Međutim, iz IBM-a tvrde kako za radnju koju je obavio Googleov kompjuter nije potrebna kvantna tehnika te da bi, uz određene modifikacije, i klasični superkompjuter mogao obaviti tu komplikovanu operaciju u kraćem vremenu od procijenjenog.

Naučnici u drugim kompanijama pokušavaju poboljšati klasične algoritme koji se koriste za rješavanje problema, u nadi da će smanjiti procjenu Google da je za ovu operaciju klasičnom superkompjuteru potrebno oko 10 000 godina. Upravo IBM, koji je jaka konkurencija Googleu te i dalje lider u oblasti, u svom tekstu od 21. oktobra 2019. kaže da bi problem mogao biti riješen za samo 2,5 dana koristeći se drugačijom klasičnom tehnikom. Međutim, ovaj rad nije recenziran.

Ako je IBM u pravu, smanjila bi se veličina Googleovog podviga u postizanju kvantne supremacije. Međutim, to bi i dalje bio značajan miljokaz razvoja kvantnih kompjutera i predstavlja veliki rezultat.

„Lako je dokazati da Sycamore problem može brzo riješiti, ali teret dokaza da veliki superračunari to ne mogu je nešto teži“, objasnio je dr. Šiljak. „Googleovi istraživači su proračun vremena potrebnog za klasične računare temeljili na jednoj verziji algoritma koja ne koristi sve memorijske resurse ovih računara, a ono što IBM iznosi sada jesu rezultati proračuna za drugačiji algoritam, onaj koji na pametan način koristi postojeću memoriju superračunara da uštedi na vremenu“ objašnjava dr. Šiljak.

Iz navedenog je jasno da se trenutno priča o jednom konkretnom problemu za koji se u Googleu nadaju da je prvi u nizu onih na kojim će postojeći kvantni računari pokazati nadmoć nad klasičnim. To će svakako pomoći u uvjeravanju tržišta i agencija zaduženih za finansiranje projekata vezanih za kvantne računare da se radi o korisnoj investiciji, ali će iza snažnog marketinškog slogana stajati činjenica da se radi tek o jednom vještačkom problemu koji služi za demonstraciju. Korisne primjene kvantnih računara će ipak morati sačekati uspješnu realizaciju velikih kvantnih sistema.

„U prošlom se stoljeću kod nas insistiralo na što više kubika—u ovom nam treba što više kjubita“, zaključuje za kraj dr. Harun Šiljak.​

XS
SM
MD
LG