Računalniki, ki bodo spremenil svet

Avtor: Uredništvo, Objavljeno: 21. 02. 2024 05:55:00, Kategorija: Računalništvo

Zadnja leta se velik govori o kvantnih računalnikih. Kaj sploh to je?

Računalniki, ki bodo 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 poleti objavil, da je s svojim 70-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 nekaj sekundah opravil nalogo, za katero bi Frontier, trenutno najhitrejši superračunalnik potreboval okoli – 47 let.

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, ki je nastal leta 2019, ko je Sycamore zmogel »le« 54 kubitov.

Vir: Thoughty2/YouTube

preberite še to

Računalništvo
Hitre risbe

Hitre risbe

Ne znate risati, a bi radi v svoj dokument vstavili kakšno risbico? Poskusite takole…

Računalništvo
Nore hitrosti po enem samem optičnem vlaknu

Nore hitrosti po enem samem optičnem vlaknu

Znanstveniki so po enem samem vlaknu uspeli doseči 301 TB/s! BOmo v kratkem deležni krepke pospešitve d...

Računalništvo
Risanje z matematiko

Risanje z matematiko

Vas zanima, kako z matematičnimi formulami narisati deklico na spodnji sliki?

Računalništvo
Avtor rezanja, kopiranja in lepljenja

Avtor rezanja, kopiranja in lepljenja

Mogoče ni tako znan kot Bill Gates ali Steve Jobs, je pa pustil velik pečat…

Računalništvo
Razdelilnik z - diskom...

Razdelilnik z - diskom...

Razdelilnik USB-C, ki ima vgrajen tudi trdi disk… No, ja, prostor zanj…

Računalništvo
Delitev podatkov na celice

Delitev podatkov na celice

Če ste v Excelu kdaj morali podatke iz ene celice »raztresti« po posameznih stolpcih, boste veseli...

Računalništvo
Celotna stran kot slika

Celotna stran kot slika

Edge omogoča zelo preprost način shranjevanja celotne spletne strani kot slike.

Računalništvo
Računalniki, ki bodo spremenil svet

Računalniki, ki bodo spremenil svet

Zadnja leta se velik govori o kvantnih računalnikih. Kaj sploh to je?

Računalništvo
Zakaj komplicirati?

Zakaj komplicirati?

Če deluje, je Ctrl+E odličen pripomoček v Excelu. Če ne, pa…

Računalništvo
Prenosniki HP EliteBook 860 G10

Prenosniki HP EliteBook 860 G10

Promocijslka vsebina
Hibridno delo brez kompromisov

Računalništvo
Osnovnošolci iz Sežane so spoznavali, kako se izogniti pastem v digitalnem svetu
Računalništvo
Bliskoviti Excel

Bliskoviti Excel

Bliskovito zapolnjevanje je izredno uporabna funkcija.