Kvantno računalo neće vam samo od sebe ubrzati internet, poboljšati fotografije ni zamijeniti prijenosnik. Prednost bi se mogla pokazati u rješavanju određenih problema, za koje kvantni algoritmi trebaju manje koraka nego najbolji poznati klasični postupci. Razlika je važna svaki put kada se pojavi vijest o novom kvantnom rekordu.
Iza takvih rekorda ponekad stoji zahtjevan znanstveni pokus, ali ne i stroj spreman za svakodnevnu uporabu. Da bismo procijenili što je doista postignuto, treba razumjeti kako kvantno računalo dolazi do odgovora, gdje bi taj način računanja mogao pomoći i zašto je toliko teško sačuvati njegov rezultat od pogrešaka.
Kubit nije broj između nule i jedinice
Klasična računala podatke obrađuju pomoću bitova, koji imaju vrijednost 0 ili 1. Kvantna računala koriste kubite. Njih se može ostvariti različitim fizičkim sustavima, primjerice zarobljenim ionima, neutralnim atomima ili supravodljivim električnim sklopovima. Zato različite vrste kvantnih računala mogu izgledati posve drukčije.
Kubit može biti u superpoziciji stanja 0 i 1. Popularno objašnjenje da je tada "istodobno nula i jedinica" lako navodi na pogrešan zaključak: kao da računalo drži dva obična podatka koja zatim može odvojeno pročitati. Mjerenje u toj osnovi daje jedan ishod, 0 ili 1, a ne oba.
Stanje kubita opisujemo amplitudama, matematičkim veličinama iz kojih računamo vjerojatnosti ishoda. One sadrže i podatak o fazi, važan za ponašanje sustava tijekom računanja. Superpozicija stoga nije samo naše neznanje o unaprijed određenom rezultatu. Razlika se pokazuje kada kvantne operacije počnu mijenjati te amplitude. Taj odnos amplituda, faze i mjerenja objašnjavaju IBM-ovi nastavni materijali.
Kako izdvojiti odgovor koji nas zanima
Ključna je interferencija. Kao što se valovi mogu pojačati ili poništiti, tako se mogu zbrajati ili poništavati doprinosi amplitudama. Dobro osmišljen kvantni algoritam tim promjenama povećava vjerojatnost korisnog rezultata, a smanjuje vjerojatnost drugih ishoda. Samo stvaranje superpozicije nije dovoljno.
Važna je i kvantna spregnutost. Kod spregnutih kubita zajedničko stanje ne može se opisati tako da svakome jednostavno pridružimo zasebno, neovisno kvantno stanje. Time algoritam dobiva mogućnost rada s odnosima među kubitima koji nemaju izravan klasični pandan. Ipak, ni spregnutost sama po sebi nije jamstvo bržeg računanja.
Nakon izvođenja programa sustav se mjeri. Pokus često treba ponoviti mnogo puta kako bi se iz dobivenih rezultata procijenila tražena veličina. Zbog toga nije točno da kvantno računalo "isproba sva rješenja i odmah pročita najbolje". Najteži dio može biti upravo pronaći algoritam koji će informaciju koju trebamo učiniti dostupnom mjerenju.
Milijun mogućnosti ne znači odgovor u jednom koraku
Zamislimo matematički zadatak s milijun kandidata među kojima je jedno točno rješenje. Postoji postupak kojim možemo provjeriti je li pojedini kandidat točan, ali nemamo dodatnu strukturu koja bi nam pomogla u pretraživanju. Klasičnom bi pristupu u prosjeku trebalo provjeriti približno polovicu kandidata.
Groverov algoritam broj potrebnih upita tom postupku svodi na red veličine kvadratnog korijena broja mogućnosti. Za milijun kandidata govorimo o redu veličine tisuću upita, a ne milijun. To je velika razlika, ali odgovor se ne pojavljuje nakon jednog pokušaja.
No jedan upit može zahtijevati mnogo procesorskih operacija. Treba osmisliti kvantni postupak provjere kandidata, pripremiti podatke i držati pogreške pod kontrolom. Manje upita zato ne mora značiti kraće ukupno vrijeme rada. Primjer pokazuje matematičku prednost određenog algoritma, ne obećanje da će kvantno računalo tisuću puta brže pretraživati svaku bazu podataka.
Zašto su molekule toliko zanimljive
Jedan od najuvjerljivijih razloga za razvoj kvantnih računala dolazi iz kemije. Elektroni u molekulama ponašaju se prema zakonima kvantne mehanike. Njihove međusobne veze mogu učiniti precizan izračun vrlo zahtjevnim, osobito kada jednostavnije približne metode više nisu dovoljno dobre.
Klasična računala već izvrsno služe kemičarima. Kako objašnjava Caltechov kemičar Garnet Chan, treba utvrditi gdje su granice postojećih metoda i koje bi probleme kvantno računalo doista moglo rješavati bolje. Nema razloga svaku simulaciju molekule prebaciti na novi tip stroja.
Potencijalna korist leži, primjerice, u pouzdanijem određivanju energija zahtjevnih elektronskih stanja. To može pomoći razumijevanju kemijskih reakcija i svojstava materijala. No iz boljeg izračuna ne nastaje automatski novi lijek ili baterija. Rezultat još treba povezati s pokusima, proizvodnjom i stvarnim uvjetima uporabe.
Istraživači već ispituju suradnju dvaju pristupa. Caltech je opisao hibridni izračun željezno-sumpornog sustava u kojem sudjeluju kvantna i klasična računala. U takvim sustavima kvantni procesor preuzima određeni dio izračuna, dok ostatak posla obavljaju klasična računala.
Fizički i logički kubiti nisu ista stvar
Kubit je osjetljiv na okolinu i nesavršenosti upravljanja. Pogreška može nastati tijekom operacije, čekanja ili mjerenja. Za dug izračun nije dovoljno da većina pojedinačnih koraka uglavnom uspije: treba dovoljno pouzdano izvršiti cijeli slijed.
Fizički kubit stvarni je element uređaja. Logički kubit predstavlja kvantnu informaciju kodiranu u više fizičkih kubita radi zaštite od pogrešaka. Posebne provjere otkrivaju tragove pogreške bez izravnog očitanja same zaštićene informacije. Na tome se temelji kvantno ispravljanje pogrešaka.
Ne postoji jedan univerzalan omjer fizičkih i logičkih kubita. Potreban broj ovisi o kvaliteti uređaja, zaštitnom kodu i zahtjevnosti izračuna. Zbog toga tisuću fizičkih kubita nije isto što i tisuću pouzdanih logičkih kubita.
Kozmos je pisao o mjerenju i resetiranju dijela kubita dok ostatak procesora nastavlja raditi. Takvi pokusi razvijaju potrebne sposobnosti, ali nisu dokaz da je izgrađeno potpuno računalo otporno na pogreške. Slično vrijedi za preciznije upravljanje spinskim kubitom: uspješna pojedinačna operacija i pouzdan rad cijelog stroja različiti su ciljevi.
Hoće li kvantna računala razbiti svu enkripciju?
Shorov algoritam pokazuje da bi dovoljno veliko i pouzdano kvantno računalo moglo učinkovito rastavljati velike brojeve na proste faktore. Omogućuje i učinkovito rješavanje problema diskretnog logaritma. Na tim se problemima temelje važni sustavi kriptografije javnog ključa, uključujući RSA i kriptografiju eliptičkih krivulja.
To nije tvrdnja da svaka vrsta zaštite pada na isti način. Groverov algoritam daje drukčiju, kvadratnu prednost pri pretraživanju, a praktičan trošak napada također je važan. Izraz "kvantna prijetnja" obuhvaća različite matematičke probleme, ne jedan univerzalni ključ.
NIST objašnjava da se sigurnosni sustavi pripremaju za tu mogućnost iako vrijeme pojave dovoljno snažnog stroja nije poznato. Postkvantna kriptografija osmišljena je za rad na klasičnim računalima. Korisnik neće trebati kupiti kvantni uređaj kako bi se koristio takvom zaštitom.
Kako čitati sljedeću vijest o kvantnom rekordu
Prvo treba pitati koji je zadatak računalo riješilo. Zatim s kojim je klasičnim postupkom uspoređeno i je li usporedba uključila pripremu, ponavljanja i obradu rezultata. Posebno treba razlikovati fizičke kubite od logičkih te laboratorijsku demonstraciju od korisne primjene.
Izrazi "kvantna prednost" i "kvantna nadmoć" u vijestima često opisuju uspjeh u posebno odabranom zadatku. Takav rezultat može biti važan za fiziku i razvoj uređaja čak i kada nema neposrednu gospodarsku primjenu. Korisna prednost traži dodatnu provjeru: rješava li se problem koji nekome stvarno treba, uz prihvatljivu točnost i ukupne troškove? Za taj zaključak rezultat jednog demonstracijskog testa nije dovoljan.
U Kozmosovu tekstu o usporedbi kvantnih računala objašnjava se zašto sam broj kubita nije dovoljno mjerilo. Za čitatelja je korisnije doznati koliko složen izračun uređaj može pouzdano završiti.
Kvantno računalo treba procjenjivati prema problemu koji rješava. Ako za isti rezultat traži više vremena i resursa od najbolje klasične metode, njegova neobična fizika nije dovoljna prednost. Ako omogući pouzdan izračun do kojeg drugim putem teško dolazimo, tada vrijedi govoriti o stvarnoj koristi.
