Godina kvantnih kompjutera

S obzirom na vrlo velike potencijalne mogućnosti primene kvantnih računara, istraživački timovi mnogih institucija i kompanija bave se razvojem ove oblasti. Moglo bi se reći da je, kao i u mnogim drugim oblastima, i u oblasti kvantnog računarstva nastala svojevrsna trka konkurenata, a najznačajniji učesnici su velike kompanije – IBM, Intel, Google, Microsoft, Alibaba... I mnoge manje startap kompanije priključile su se tom razvoju – Rigetti, IonQ, QxBranch, 1Qbit (SAD), Xanadu i ISARA (Kanada), Q-CTRL (Australija)...

Kvantni sistemi i kubiti

Na ideju o kvantnim računarima prvi je došao američki fizičar i nobelovac Richard Feynman još 1982. godine. Njihov princip rada zasniva se na kvantnim svojstvima čestica, koje imaju jednostavnu sposobnost superpozicije, odnosno na činjenici da jedna čestica u jednom trenutku može biti u više stanja sve dok ne delujemo nekom spoljašnjom silom na nju.

Za razliku od klasičnih računara, kod kojih je elementarna količina informacija bit, osnovna količina informacija kod kvantnih računara je kvantni bit ili kubit. Bit ima dve moguće vrednosti (0 i 1) i četiri moguće kombinacije (22), dok kubit može imati vrednost 0, 1 ili obe istovremeno (osam kombinacija – 23). U odnosu na klasičan računar, rast kapaciteta i brzine kvantnog računara je eksponencijalan. Ako, na primer, neki klasičan računar izvršava n operacija, teorijski bi se sa istim brojem kubita na kvantnom računaru moglo da izvrši 2n operacija u istom vremenskom intervalu.

Ovako realizovani kvantni računari zapravo su kvantni sistemi po funkciji, a ne po strukturi. Osim sposobnosti superpozicije, karakteriše ih diskretnost energije, kvantna spletenost i efekat tunelovanja. Kubiti se uglavnom realizuju na bazi superprovodnih materijala i koriste na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli (zbog specifičnih osobina superprovodljivosti koje se tipično javljaju na tim temperaturama).

IBM na prvom mestu

U IBM-u se na razvoju kvantnog računarstva radi već više od tri i po decenije. Pri realizaciji kvantnog procesora najpre se krenulo od jednog kubita, a dalja istraživanja su u maju 2016. godine dovela su do prvog značajnijeg ostvarenja – kvantnog procesora s pet superprovodnih kubita. Tada je prvi put pokrenuta IBM-ova cloud platforma za slobodno korišćenje kvantnog procesora s bilo kakvog stonog ili mobilnog uređaja. Platforma je dobila naziv IBM Quantum Expirience. Omogućava studentima, naučnicima i entuzijastima da istražuju mogućnosti kvantnog računarstva.

Još značajniji napredak u razvoju kvantnih procesora IBM je napravio maja 2017. godine. Tada su prikazana i uspešno testirana dva prototipa, jedan za buduća naučna istraživanja u oblasti kvantnog računarstva (sa 16 kubita), i drugi namenjen komercijalnoj primeni. Podrazumeva se da se pristup ovim kvantnim procesorima takođe može ostvariti preko IBM-ove cloud platforme.

IBM-ovi kvantni procesori su zasnovani na vrlo izdržljivim materijalima, što je omogućilo obavljanje na stotine kvantnih eksperimenata u naučnim istraživanjima. Napravljena je snažna platforma za rešavanje praktičnih problema u naučnom i poslovnom svetu. Njoj je pridodat i kvantni procesor sa 20 kubita u novembru 2017. Tada je, istovremeno, prikazano i najnovije ostvarenje IBM-a, kvantni procesor sa 50 kubita, koji je u tom trenutku predstavljao procesor s najviše kubita.

Zatim je 2020. godine prikazan kvantni procesor sa 65 kubita (Hummingbird), a u novembru prethodne godine (2021) i prvi IBM-ov kvantni procesor sa više od 100 kubita – Eagle. On ima 127 kubita i dostupan je kao istraživački sistem na IBM cloud-u odabranim članovima IBM-ove kvantne mreže (IBM Quantum Network). Time je prevazišao kineski 113-kubitni kvantni procesor Jiuzhang 2.0, kao i Google-ov 72-kubitni Bristlecone, i značajno se približio trenutku kada će kvantni računari moći da zamene klasične u brojnim korisnim aplikacijama.

Zaključno sa ovim IBM-ovim kvantnim procesorima, od 2019. godine funkcioniše IBM-ov prvi integrisani kvantni računarski sistem na svetu (IBM Quantum System One). Ove sisteme zasnovane na oblaku IBM je postavio u SAD, Nemačkoj (nemačka vodeća naučna istraživačka institucija Fraunhofer-Gesellschaft), Japanu (Univerzitet u Tokiju) i na Klivlendskoj klinici.

Kvantni procesor sa 1000 kubita

Najnovije informacije iz IBM-a kažu da je ova kompanija objavila još ambiciozniji plan za sklapanje kvantnog računara od 1000 kubita do 2023. godine. Tokom 2022. planirana je realizacija računara sa 433 kubita, pod nazivom Osprey, dok će se 2023. pojaviti Condor sa 1121 kubitom. Time će startovati novi integrisani kvantni računarski sistem višeg nivoa – IBM Quantum System Two. Nakon toga razvoj se nastavlja. Cilj je realizacija sistema sa milion kubita.

Tehnologija koja je dovela do ovih ostvarenja zasnovana je na inovacijama dizajna i arhitekture već postojećih kvantnih procesora, kako bi se smanjio broj potrebnih komponenti. Nova tehnika koja se koristi u Eagle-u postavlja kontrolno ožičavanje (povezivanje) na više fizičkih nivoa unutar procesora, dok se kubiti zadržavaju na jednom sloju, što omogućava znatno povećanje broja kubita. Na taj način omogućava se istraživanje problema na višem nivou složenosti u eksperimentima i aplikacijama, kao što su optimizacija mašinskog učenja ili modelovanje molekula i materijala u raznim oblastima, počev od energetske industrije do procesa otkrivanja lekova.

Za ovaj sistem najvažniji je koncept modularnosti. S gledišta hardvera, grade se procesori s većim brojem kubita, pri čemu je od posebnog značaja realizacija kontrolne elektronike koja omogućava korisnicima da manipulišu kubitima, kao i kriogeno hlađenje koje održava kubite na dovoljno niskoj temperaturi kako bi se ispoljila njihova kvantna svojstva. Kriogena platforma je dizajnirana u saradnji sa finskom kompanijom Bluefors Cryogenic, vodećim svetskim proizvođačem mernih sistema za uređaje sa ultraniskim temperaturama.

Fotonski kvantni računari

Paralelno sa uobičajenom strategijom razvoja kvantnih računara pojavljuju se i nove ideje koje vode ka jednostavnijoj realizaciji. Jedna od takvih ideja dolazi sa Univerziteta Stenford. Reč je o jednostavnom dizajnu kvantnog kompjutera koji se može realizovati korišćenjm komponenta klasičnih računara. Oni koriste fotone, koji mogu lako da prenose informacije s jednog mesta na drugo, uz izuzetnu pogodnost što ovakvi, fotonski kvantni, kompjuteri mogu da rade na sobnoj temperaturi.

Studija je objavljena u časopisu Optica, a autori su Ben Bartlett, Avik Dutt i Shanhui Fan sa Odeljenja za primenjenu fiziku na Stenfordu. Njihov sistem koristi laser za manipulaciju jednim atomom koji modifikuje stanje fotona putem fenomena koji se naziva kvantna teleportacija. Atom se može resetovati i ponovo koristiti, što znatno smanjuje složenost izgradnje kvantnog računara.

Sistem se sastoji od dva dela: prstena za skladištenje i jedinice za raspršivanje. Prsten funkcioniše slično memoriji u klasičnom računaru, to je petlja sa optičkim vlaknima koja drži više fotona koji putuju oko prstena. Svaki foton predstavlja kvantni bit, ili kubit. Smer kretanja fotona oko prstena određuje vrednost kubita, koji kao i bit može biti 0 ili 1. Pored toga, pošto fotoni mogu da postoje u oba stanja istovremeno, oni predstavljaju kombinaciju 0 i 1 u isto vreme.

Istraživači mogu da manipulišu fotonom usmeravajući ga iz prstena u jedinicu za raspršivanje, gde putuje do rezonatora koji sadrži jedan atom. Foton stupa u interakciju sa atomom, što dovodi do njihovog „zapetljavanja“ (kvantni fenomen u kome dve čestice mogu uticati jedna na drugu čak i na velikim udaljenostima). Zatim se foton vraća u prsten za skladištenje, a laser menja stanje atoma. Pošto su atom i foton isprepleteni, manipulisanje atomom utiče na stanje uparenog fotona.

Primena kvantnih računara

Kvantni kompjuteri će se koristiti za rešavanje složenih problema kakve danas rešavaju superkompjuteri. Biće potrebno pet do sedam godina da ostvare široku komercijalnu primenu. Smatra se da će sa 100 kubita oni biti moćniji od najsnažnijih superkompjutera današnjice. Za univerzitetske potrebe kvantno računarstvo će se koristiti za klimatsko modeliranje, bioinformatiku, meteorologiju, a u laboratorijama za probleme optimizacije, nauku o materijalima... Očekuje se i njihova značajna tržišna i poslovna primena. Na primer, za potrebe ekonomije i finansija koristiće se u modeliranju rizika, strategiji trgovine i finansijskim predviđanjima, a u oblasti energetike za istraživanje energije, istraživanje seizmičke optimizacije, rezerve i optimizaciju trgovine i skladištenja.