Kvantni računalnik – ni zgolj ideja

Ideja o kvantnem računalniku se je porodila znamenitemu ameriškemu fiziku Richardu Feynmannu, Nobelovemu nagrajencu za kvantno teorijo elektro magnetizma, ko je leta 1982 razmišljal o možnosti univerzalne simulacije fizikalnih procesov.

Za vsaj osnovno razumevanje delovanja kvantnega računalnika moramo razumeti dva pojmovna koncepta, v katerih je kvantna fizika bistveno različna od klasične newtonowske fizike.


Prvi je princip »kvantne superpozicije«, ki pravi, da so kvantna stanja v resnici nekakšne kombinacije vseh mogočih klasičnih stanj hkrati. Drugi, še manj predstavljiv, za učinkovito delovanje kvantnega računalnika pa še bolj bistven, pa je koncept »kvantne prepletenosti«.

Kvantna prepletenost se npr. že uporablja za povsem varno komunikacijo po povsem običajnih, komercialnih telekomunikacijskih optičnih linijah. Že leta 2004 je npr. skupina prof. Antona Zeilingerja na Dunaju uspešno izvedla demonstracijo varnega kvantnega bančnega nakazila.

Razlog, da kvanti računalniki še niso dosegljiva realnost, tiči v težko premostljivih tehnoloških ovirah, ki so povezane s pojavom, ki mu fiziki pravijo dehokerenca. Fiziki in inženirji si intenzivno prizadevajo poiskati tehnološke rešitve, kjer bi vlogo dekoherence ohromili ali vsaj omilili.

Glede na to, da v laboratorijih za zdaj raziskujejo kar nekaj še povsem različnih tehnologij, je videti, da smo od končne odločitve o najbolj perspektivni rešitvi še precej daleč. Testne tehnologije za zdaj segajo od hladnih atomov, ki jih z dobro umerjenimi laserskimi sunki vzdržujejo pri izjemno nizkih temperaturah, prek magnetne resonance do kvantno prepletenih superprevodnih električnih tokovnih zank v nekakšnih »kvantnih čipih«.

INTERVJU

Gost Frekvence X je bil prof. Tomaž Prosen, ki se ukvarja se s teoretično in matematično fiziko in s področjem kvantne informatike na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani:

Svet kvantne fizike, iz katerega zajema tudi kvantno računalništvo, je težko umljiv celo fizikom, kaj šele običajnim ljudem. Ga je sploh mogoče razumeti?

Foto: M. Škrabec Arbanas

Težko. Seveda si pomagamo s prispodobami iz vsakdanjega sveta, predvsem, ko učimo kvantno fiziko, vendar je vse takšne analogije treba jemati z rezervo. Na primer znamenita Schrödingerjeva mačka, s katero ponazorimo princip kvantne superpozicije stanj mačke v povsem izolirani škatli s strupom, ki je lahko v vsoti stanj živa in mrtva hkrati. Problem tiči v naših čutilih, ki določajo naš predstavni svet. Vsa namreč temeljijo na makroskopskih pojavih, kjer so kvantni efekti že povsem ohromljeni zaradi pojava, ki mu pravimo dekoherenca. Po domače, zaradi nenehnega opazovanja velikega brata iz okolice.

Za običajno intuicijo ljudi so zakoni kvantne fizike dokaj nenavadni, kaj pa je v kvantni mehaniki tako zelo drugače?

Verjetno največji miselni paradoks je sama možnost obstoja superpozicij, t. j. dejstva, da je lahko kvantni sistem v več klasičnih stanjih hkrati. Npr. isti atom je lahko hkrati tu in tam, kvantna vrtavka se lahko hkrati vrti v dveh smereh. Možnost, da bi šlo zgolj za verjetnostno porazdelitev med več možnimi klasičnimi stanji izključimo z opazovanjem interference, podobno kot pri valovih. Npr. mala žogica v obliki molekule fuklerena, t. j. ogljika C60, gre lahko hkrati skozi več luknjic v mrežasti oviri, kar dokažejo tako, da lahko na zaslon oz. detektor prileti samo v točno določenih smereh. Podobno kot svetloba z zvezde, ki jo zvečer opazujemo iz spalnice skozi tkanino prosojnih zaves, ko namesto ene svetle pikice vidimo enakomeren mrežast vzorček interferenčnih pikic. Obstoj prepletenih kvantnih stanj pa omogoča npr. pojav kvantne teleportacije, nekaj precej podobnega kot v fantastični zgodbi StarTrek. Vendar kvantna teleportacija ni samo ideja, v zadnjih letih jo znajo v laboratorijih že realizirati. Npr. kvantna teleportacija je tudi način, kako kvantni računalnik prepisuje in transportira svoje kvantne podatke iz enega registra v drugega.

Kvantni računalniki bi lahko nekatere težke računske probleme rešili bistveno hitreje kot klasični. So tudi nekaj, kar po zakonih kvantne mehanike mora obstajati, vendar za zdaj obstaja le njihova miselna konstrukcija. Zakaj jih je tako težko zgraditi, realizirati?

No, ni čisto res, da so zgolj miselna konstrukcija. Obstajajo preprosti eksperimentalni modeli kvantih računalnikov, ki povsem splošno lahko manipulirajo (računajo) z nekaj kvantnimi biti. Obstaja tudi nekakšen hibridni model kvantnega računalnika, takoimenovani D-Wave One, ki računa celo s 128 kvantnimi biti. Vseeno pa so tehnološke težave pri konstrukciji kvantnih računalnikov zelo velike. V glavnem so povezane s tako-imenovano dekoherenco, t. j. porušitvijo kvantne koherence, zaradi pomanjkljive izolacije kvantnega računalnika od okolice. Popolna izolacija pa spet ni mogoča, ker moramo na koncu kvantnega računanja rezultat odčitati. Pravimo, da moramo kvantni register pomeriti. Tako smo prisiljeni v nekakšno kompromisno izolacijo, ki nam omogoča omejeno število kvantnih operacij, preden dehoherenca kvantni račun pokvari. A težave, čeprav so hude, niso principielne.

Kvantni računalnik ni digitalni računalnik, ampak je trenutno še vedno bolj podoben analognemu računalniku, ki si zgolj pomaga s kvantno fiziko. Kaj sploh pričakujemo od kvantnega računalnika, kakšne so njegove posebnosti in odlike?

Za zdaj ni jasno, ali bo kvantni računalnik sploh kdaj tako splošno uporaben, kot so ti, ki jih uporabljamo danes. Seznam algoritmov / postopkov, ki jih kvantni računalnik rešuje bistveno hitreje kot klasični, je še vedno precej kratek. Kvantni računalnik tudi redko izračuna točen rezultat, saj je na koncu potrebno takoimenovano kvantno merjenje pri katerem – po Einsteinu – Bog vrže kocko. Za točno utemeljitev rezultata je zato treba postopek izvajanja programa na kvantnem računalniku večkrat ponoviti, podobno kot pri nekakšnem verjetnostnem poskušanju. Ima pa kvantni računalnik bistveno prednost pred klasičnim verjetnostnim strojem: za določitev ene izmen N reči je potrebno v povprečju poskusiti samo koren iz N-krat, ne pa N-krat kot pri klasičnem verjetnostnem računu.

Če želite poiskati eno stvar v popolnoma razmetani sobi in je v njej tema, potem boste, če veljajo samo zakoni klasične fizike in če je v sobi sto reči, morali stokrat ali pa recimo petdesetkrat v povprečju na slepo potegniti neznani predmet iz sobe in pogledati, če je pravi, da boste našli pravega. Če pa imate informacijo o predmetih zakodirano v kvantnem računalniku, se zgodi, da bo treba to narediti le desetkrat, kar je koren iz stokrat. Kvantna mehanika v tem smislu je povsem neintuitivna, da omogoča takšne paradoksalne stvari.

Je to, da je neke vrste verjetnostni stroj, težava ali bolj filozofsko vprašanje?

Kot sem poskusil pojasniti malo prej, to ni resna težava. Razen tega, da to pač ni digitalni stroj in zato rezultat računa ni nikoli eksakten. Kar pa sploh ni problematično, pri problemih, katerih rešitev je sicer težko poiskati, preveriti – preveriti, če je rešitev prava, pa ni težko. Na primer znameniti problem osmih kraljic, ki jih moramo po šahovnici razporediti tako, da se med seboj ne napadajo. Ali pa vprašanje, ali se da veliko celo število zapisati kot produkt dveh manjših, a še vedno velikih celih števil. To je v kriptografiji posebnega pomena.

Zdi se, da je pomembna filozofska iztočnica vprašanje, ali je kvantni računalnik morda prva zares umetna tvorba, ki jo narava sama po sebi sicer zares še ne uporablja. Če nevronske sisteme višje razvitih živali in ljudi lahko razumemo kot nekakšne verjetnostne računalnike (zaradi šuma, v katerem delujejo in ki je pomemben za njihovo učinkovitost), pa se zdi, da koncepta kvantnega računalnika narava še ni zares izkoristila. Potemtakem bi bil kvantni računalnik prvi zares umeten tehnološki koncept.

Ali to pomeni, da nekega pomembnega dela narave ljudje še ne obvladujemo? Se ob tem pojavljajo tudi filozofski zadržki?

Vprašanje je, če morda ravno zaradi tega, ker narava še sama ni našla koristne uporabe kvantnega računanja, ne obstajajo tudi resnejši razlogi, da bi imel tudi človek ob tem nepremostljive težave. Ampak za zdaj ne poznamo zakona narave, ki bi nam preprečeval zasnovo učinkovitega kvantnega računalnika.

Imajo pričakovanja, da bomo kmalu dobili splošno uporabne stroje, ki bi v vsem prekašali klasične računalnike, že kakšno realno podlago?

Da in ne. Vprašanje je, kaj bi bilo za vas zadosti splošno uporabno. Zdi se, da bodo prvi kvantni računalniki predvsem simulatorji za druge fizikalne procese, ali pa bodo reševali diskretne optimizacijske probleme, npr. iskali optimalen sprehod po zemljevidu in podobno. Takšne vrste problemov naj bi npr. znal učinkovito reševati nedavno predstavljeni Dwave one.