Računalnik, ki bo spremenil svet

Človek se z napravami, ki bi mu pomagale pri računanju, ukvarja že skoraj 200 let. V tem času smo prešli iz mehanskih računal Charlesa Babbagea iz začetka 19. stoletja, preko prvih elektronskih računalnikov sto let kasneje do računalnikov, kot jih imamo sedaj. Za primerjavo – računalnik, ki je skrbel za odpravo Apollo 11 in pristanek na Luni, je po zmogljivosti na ravni sedanjega povprečnega namiznega kalkulatorja in več milijonov krat šibkejši od procesorjev, ki jih sedaj nosimo v žepih v obliki pametnih telefonov.

In kako nam je lahko uspelo kaj takšnega? Predvsem z miniaturizacijo elektronskih vezij, ki je omogočala, da se je procesorska moč podvajala približno vsaki dve leti, kot je to ugotovil Gordon Moore, eden od Intelovih ustanoviteljev. Ugotovitev je bila tako točna, da so jo poimenovali kar Moorov zakon.

A kot vsaka stvar ima tudi Moorov zakon svoje omejitve. V tem primeru mu nagaja – fizika. Bistvo miniaturizacije je manjšanje velikosti tranzistorjev. Ti so zdaj že tako majhni, da je njihov premer le nekaj atomov. To pa seveda pomeni, da bo manjšanje počasi doseglo svojo mejo. Proizvajalci procesorjev zato iščejo nove načine, kako povečati procesorsko moč, kar pa ne gre več tako hitro kot do sedaj, zato po dobrih petdesetih letih Moorov zakon ne velja več. Fizika tranzistorjev tega preprosto ne dovoljuje več. A to pomeni, da se bo tehnološki napredek začel upočasnjevati? Bomo videli.

Seveda se poraja tudi vprašanje ali v času, ko nas lahko na Luno lahko prepelje navaden kalkulator, res potrebujemo bolj zmogljive računalnike. Da, jih. Obstajajo matematični problemi, ki so tako zapleteni, da bi jih tudi najzmogljivejši superračunalniki, kot je na primer za dve košarkarski igrišči velik IBM-ov Summit, potrebovali več milijonov let. Eden takšnih problemov je recimo praštevilski razcep oziroma po domače razstavljanje na prafaktorje. Če je število, ki ga hoče mo razcepiti, dovolj veliko, sodobni računalniki preprosto pokleknejo, ne glede na svojo velikost in zmogljivost. Iskanje prafaktorje se zdi dokaj banalna zadeva, saj smo se jo vi učili že v osnovni šoli, a dejstvo, da imajo računalniki z njo težave, je izredno pomembno pri iskanju načinov varovanja podatkov oziroma kar internetni varnosti nasploh. Razvoj zmogljivejših računalnikov je torej pomemben za našo digitalno varnost, a to je šele začetek. To je potem še umetna inteligenca, razvoj novih zdravil, materialov, solarnih celic, visokotemperaturnih superprevodnikov, bolj učinkovitih in okolju bolj prijaznih gnojil, meteorologija, optimizacija pretoka prometa, modeliranje finančnih sistemov in še kaj.

Samo torej na koncu poti? Se bomo morali zadovoljiti s tem, kar imamo? Ne. Le nekaj drugega moramo najti. Nekaj, kar ne bo odvisno od velikosti tranzistorjev oziroma sploh ne bo temeljilo na njih. In tu nastopijo tako imenovani kvantni računalniki. Ti niso nadgradnja obstoječe ideja ampak nekaj, kar svojo nalogo opravlja na povsem drug način in drugih principih. Nekako tako kot žarnica ni pomenila nadgradnjo sveče ampak se je problema osvetlitve lotila na drugačen način.

In kako računa kvantni računalnik? Zadeva je seveda precej kompleksna, saj gre za tako imenovano kvantno mehaniko, za katero je Richard Feynman dobil Nobelovo nagrado dejal, da če nekdo misli, da jo razume, potem je zagotovo, ne. A bomo zadevo, o kateri govori spodnji video, skušali kljub temu nekako opisati.

Osnova delovanja računalnika je seveda bit, za katerega vsi vemo, da ima lahko dve stanji – 0 ali 1. Toda kaj to pomeni v praksi? V bistvu za opis stanja tranzistorjev v vezju. Tranzistorji pa v svoji osnovi niso nič drugega kot stikala, ki lahko imajo dve stanji – ali prepuščajo tok ali pa ga ne. Da, ne, 0, 1… S kombinacijo teh bitov lahko kodiramo informacije.

Kvantni računalniki za svojo osnovo nimajo običajnih bitov ampak kvantne bite ali krajše kubite. Enako kot biti imajo tudi kubiti dve stanji – 0 in 1 - le da sta ti precej bolj čudni. Kubiti stanji zavzemajo glede na poravnavo z magnetnim poljem, v katerem se nahajajo, kar v kvantni mehaniki imenujemo spin oziroma spinsko kvantno število. In to število je, povedano zelo poenostavljeno, lahko 0 ali 1 (oz - ½ in ½). A obstaja še eno stanje, tako imenovana kvantna superpozicija, kjer lahko delec zavzema vsa možna kvantna stanja istočasno, to, ali je »v 0 ali 1« pa je opisano le z verjetnostjo, dejansko stanje pa lahko ugotovimo le, ko stvar pogledamo. Sliši se dokaj nenavadno in tudi je, a nekaj podobnega ste verjetno nekateri od vas že slišali. Se spomnite Schrödingerjeve mačke? Imamo škatlo, v kateri je mačka, za katero pa ne vemo ali je živa ali mrtva. Verjetnost za eno ali drugo je 50%, kakšna je resnica, pa bomo izvedeli šele ko škatlo odpremo… Kako od kvantne superpozicije pridemo do kvantnega računalnika zahteva seveda ogromno znanja fizike in še česa, zato le bistvo. Klasični računalnik, ki lahko zavzema le dve stanji, 0 in 1, mora probleme reševati zaporedno. Pri iskanju prafaktorjev recimo tako, da sproti preverja vsako rešitev posebej. Kvantni računalnik v svojem superpozicijskem stanju pa lahko te operacije opravlja hkrati oziroma vzporedno, a za razliko od vzporednega procesiranja, kot ga poznamo pri klasičnih večjedrnih računalnikih, je teh vzporednih procesov lahko mnogo več. Ne 16, 32 ali 64 ampak na milijone. Primerjava, ki jo je v spodnjem videu dal eden od akterjev, je sledeča: zamislite si, da morate v petih minutah med 50 milijoni knjig najti točno določeno črko X na točno določeni strani točno določene knjige. Če bi črko iskali na način, kot to počne klasični računalnik, bi to naredili tako, da bi pregledali vsako knjigo posebej, kar bi trajalo precej več kot pet minut. Kaj pa, če bi imeli 50 milijonov vzporednih realnosti? V tem primeru bi želeni X lahko našli mnogo hitreje, mogoče celo v zadanih petih minutah. In točno to počne kvantni računalnik.

In kako doseže takšno število? Z dodajanjem procesorskih jeder pri obstoječih računalnikih lahko število operacij povečujemo linearno, pri kvantih pa eksponentno. Pri kvantnem računalniku z dvema kubitoma lahko dobimo štiri rešitve hkrati (00, 01, 10, 11), pri treh kubitih že 8, štirih 16… pri 300 kubitih pa bi lahko hkrati obdelali več spremenljivk kot je delcev v nam znanem vesolju.

In zakaj tega še nismo naredili? Težava je v tem, da je potrebno delce, kot so fotoni in elektroni, ki sestavljajo kubite, najprej izolirati, kar pa je mogoče pri zelo nizki temperaturi – 0,015 K - kar je čisto na meji najnižje fizikalno mogoče temperature (-273°C) v našem vesolju. To pa zahteva ogromno inženirsko-znanstvenih naporov in seveda ogromno denarja. In kdo ima oboje? Več ali manj le velika tehnološka podjetja. Recimo Google, ki je lani objavil, da je s svojim 54-kubitnim kvantnim računalnikom Sycamore dosegel »kvantno prevlado«. Kvantna prevlada ni nekaj, s čemer bi se Google posmehoval konkurenci pač pa čisto znanstveni pojem, ki označuje, da je kvantni računalnik uspel opraviti nalogo, ki je v razumnem času ne zmore noben klasični računalnik. In kaj to pomeni v primeru računalnika Sycamore? To, da je ta le  200 sekundah opravil nalogo, za katero bi najsodobnejši klasični računalniki potrebovali okoli 10.000 let. IBM je sicer Googlove navedbe že naslednji dan malce ohladil s podatkom, da njihov superračunalnik Summit zadevo reši v 2,5 dneh, a to je še vedno tisočkrat počasneje od tistih 200 sekund.

In kdaj bomo dobili  uporabne kvantne računalnike? Tehnologija je še več ali manj v povojih, tako da bo na to, da bomo »zelo hitro računali«, treba počakati še vsaj kakšno desetletje.

Več v spodnjem zelo poljudno pripravljenem videu.

Vir: Thoughty2/YouTube