Квантното пресметување е конечно тука. Но што е тоа?

Пред четири децении, физичарите теоретизираа дека неверојатната механика на квантната физика може да се искористи за создавање на нов вид компјутер кој е експоненцијално помоќен од конвенционалните машини. Серија на пробиви сега ја донесе „квантната корисност“ поблиску до реалноста. Се води трка за развој на машини кои се доволно точни за верно да го моделираат однесувањето на сложени реални феномени и да донесат напредок во полиња како развој на лекови, финансиско моделирање и вештачка интелигенција.

Која е привлечноста на квантните компјутери?

Тие можат да прават работи што класичните компјутери не можат. „Гугл“ (Google) во декември откри дека неговиот најнов квантен процесор, Вилоу (Willow), за пет минути решил проблем што најмоќните суперкомпјутери во светот не би можеле да го решат дури и ако работеле на него од почетокот на универзумот.

Експерименталните квантни компјутери обично добиваат задачи кои би ги збуниле конвенционалните компјутери бидејќи има премногу променливи влезови. Нивниот најголем потенцијал е за моделирање на сложени системи кои вклучуваат голем број на подвижни делови чии карактеристики се менуваат како што тие меѓусебно комуницираат. Тие можат, на пример, да го реплицираат однесувањето на молекулите за да го забрзаат развојот на нови лекови, или да ги симулираат одлуките на економските актери и финансиските посредници за да го направат пазарното предвидување поточно.

Квантните компјутери не се очекува да бидат од голема корист во напорната, но поедноставна работа што ја извршуваат повеќето од денешните компјутери, кои обработуваат релативно ограничен број на изолирани влезови последователно на масовно ниво.

Кој прави квантни компјутери?

„Ди вејв“ (D-Wave Quantum Inc.), канадска компанија со седиште во Калифорнија, стана првата што продава квантни компјутери во 2011 година. ИБМ (International Business Machines Corp.), „Гугл“, АВС (Amazon Web Services) и бројни стартапи сите создадоа работни квантни компјутери.

Од неодамна, компании како „Мајкрософт“ (Microsoft Corp.) направија напредок кон изградба на практични квантни суперкомпјутери. „Интел“ (Intel Corp.) започна со испорака на силиконски квантен чип.

„Гугл“ и ИБМ, заедно со стартапите „Јуниверзал квантум“ (Universal Quantum) и „Псајквантум“ (PsiQuantum Corp.), тврдат дека ќе испорачаат ефикасен квантен суперкомпјутер до крајот на деценијата. Кина гради Национална лабораторија за квантни информации вредна 10 милијарди долари како дел од големите напори во ова поле.

Како работат квантните компјутери?

Тие користат мали кола за да извршуваат пресметки, како и традиционалните компјутери. Но, тие ги прават овие пресметки паралелно, наместо последователно, што ги прави толку брзи. Редовните компјутери обработуваат информации во единици наречени битови, кои можат да претставуваат една од две можни состојби — 0 или 1 — што одговара на тоа дали дел од компјутерскиот чип наречен логичка врата е отворен или затворен. Пред традиционалниот компјутер да продолжи со обработка на следното парче информации, тој мора да му додели вредност на претходното парче.

За разлика од тоа, благодарение на „веројатноста“ во природата на квантната механика, кубитите (квантен бит, англ. qubit) во квантните компјутери не мора да добијат вредност додека компјутерот не ја заврши целата пресметка. Ова е познато како „суперпозиција“. Така, додека три бита во конвенционален компјутер би можеле да претставуваат само една од осум можности – 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 – квантен компјутер со три кубити може да ги обработи сите нив истовремено. Квантен компјутер со 4 кубити теоретски може да обработи 16 пати повеќе информации од еднакво голем конвенционален компјутер и ќе продолжи да ја удвојува својата моќ со секој додаден кубит. Затоа квантниот компјутер може да обработи експоненцијално повеќе информации од класичниот компјутер.

Како враќа резултат?

При дизајнирање на стандарден компјутер, инженерите поминуваат многу време обидувајќи се да осигураат дека статусот на секој бит е независен од оние на сите други битови. Но, кубитите се испреплетени, што значи дека својствата на еден зависат од својствата на кубитите околу него. Ова е предност, бидејќи информациите можат да се пренесуваат побрзо меѓу кубитите додека тие работат заедно за да дојдат до решение. Како што се извршува квантниот алгоритам, контрадикторните (и затоа неточни) резултати од кубитите се поништуваат, додека компатибилните (и затоа веројатни) резултати се засилуваат. Овој феномен, наречен кохеренција, му овозможува на компјутерот да го извади одговорот што го смета за најверојатно точен.

Како се прави кубит?

Теоретски, сè што покажува квантно механички својства што можат да се контролираат може да се користи за правење кубити. Многу се направени од полупроводници, при што IBM, D-Wave и Google користат мали јамки од суперпроводна жица. Некои научници создадоа кубити со манипулирање на заробени јони, пулсирања на фотони или спин на електрони. Многу од овие пристапи бараат многу специјализирани услови, како температури пониски од оние што се наоѓаат во длабокиот вселенски простор.

Колку кубити се потребни?

Многу. Иако кубитите можат да обработат експоненцијално повеќе информации од класичните битови, нивната несигурна природа ги прави склони на грешки. Грешките се вовлекуваат во пресметките на кубитите кога тие излегуваат од кохеренција еден со друг. Теоретичарите работат на развој на алгоритми кои можат да коригираат некои од овие грешки. Но, неизбежен дел од решението е додавање на повеќе кубити.

Научниците проценуваат дека компјутерот треба да има милиони – ако не и милијарди – кубити за сигурно да извршува програми погодни за комерцијална употреба. Сегашниот рекорд за поврзани кубити е 1.180, постигнат од стартапот „Атом компјутинг“ (Atom Computing) од Калифорнија во октомври 2023 година — над двојно повеќе од претходниот рекорд од 433, поставен од ИБМ во ноември 2022 година. Поврзувањето на доволно од нив е главниот предизвик. Како што компјутерот станува поголем, тој емитира повеќе топлина, што прави поверојатно дека кубитите ќе излезат од кохеренција. Чипот Вилоу на „Гугл“ се смета за пробив бидејќи стапката на грешка се намали дури и кога повеќе кубити беа групирани заедно.

Кога ќе го добијам мојот квантен компјутер?

Зависи за што сакате да го користите. Академиците веќе решаваат проблеми на машини со 100 кубити преку облак-базираната платформа ИБМ квантум (IBM Quantum), која е достапна за јавноста (ако знаете како да развиете квантен код). Научниците имаат за цел да испорачаат таканаречен „универзален“ квантен компјутер погоден за комерцијална употреба во следната деценија.

Еден потенцијален недостаток на огромната моќ за решавање проблеми на квантните компјутери е колку лесно тие можат да ги пробијат класичните системи за енкрипција. Можеби најдобриот показател за тоа колку сме блиску до широко распространето квантно компјутерство е тоа што владите потпишуваат директиви и бизнисите вложуваат милиони долари за да ги обезбедат старите компјутерски системи од пробивање од квантни машини.