Da li će kvantno računarstvo zauvek promeniti način na koji konzumiramo tehnologiju?

Zasnovana na principima kvantne mehanike, oblast kvantnog računarstva podjednako privlači pažnju naučnika, istraživača i tehnoloških entuzijasta, koji tvrde da ona ima potencijal da postane game changer u tehnološkom svetu.

Najveće divljenje u zajednici ubira zahvaljujući svojoj sposobnosti da izvrši proračune eksponencijalno brže od bilo kog računara koji smo do sada poznavali jer, za razliku od tradicionalnih računara, koriste kjubite (pandane bitova u klasičnom računaru) koji mogu postojati u više stanja istovremeno, omogućavajući fenomen koji se zove “superpozicija”. Plastično objašnjeno, omogućavaju da se više proračuna obavlja istovremeno, što drastično ubrzava vreme potrebno za rešavanje složenih problema.

Uzevši u obzir sve navedeno, ova moćna tehnologija ima potencijal da otključa nove granice u oblastima kao što su kriptografija, medicina, optimizacija, veštačka inteligencija, pa čak i razvoja kvantnog interneta. Međutim, kao i kod svake savremene tehnologije koja još nije postala deo mejnstrima, tu su izazovi koje treba prevazići kako bi kvantno računarstvo bilo zaista praktično i pouzdano. Zato smo stupili u kontakt sa Radoicom Draškićem, naučnikom i ekspertom iz oblasti kvantnog računarstva koji je s nama podelio sve pojedinosti vezane za razvoj ove oblasti.

Radoice, reci nam nešto više o sebi. Kako je do sada izgledao tvoj obrazovno-karijerni put?

Radoica: Još od osnovne škole zaljubljenik sam u prirodne nauke i tehnologiju. Tada sam svoja interesovanja zadovoljavao učešćima na takmičenjima iz matematike, fizike i informatike. Uspesi na tim takmičenjima kasnije su me naveli da upišem osnovne studije teorijske fizike na Fizičkom fakultetu, kao i studije računarskih nauka na Računarskom fakultetu u Beogradu. Potom sam dobio stipendiju za master studije primenjene fizike na Tehničkom univerzitetu u Delftu u Holandiji.

U toku master studija, fokusirao sam se na oblast kvantnog računarstva, pri čemu sam bio i praktikant u dva startapa koji rade u toj oblasti, Quantum Machines i Xanadu. Trenutno radim kao softverski inženjer u Tenderly-ju gde se, doduše, ne bavim kvantnim računarstvom već blockchain-om koji je takođe jedna od novih tehnologija sa dosta potencijala.

Dakle, tvoja uža naučna specijalnost je kvantno računarstvo. Po čemu se ono razlikuje od tradicionalnog računarstva?

Radoica: Kvantno računarstvo je fascinantna i relativno mlada oblast koja koristi principe kvantne mehanike za izgradnju novog tipa računarskih sistema. Oni se razlikuju od tradicionalnih računara prvenstveno po načinu na koji čuvaju informacije. Kvantni računari koriste kjubite, analogon bita u klasičnom računaru, ali sa dodatnom sposobnošću da postoje u superpoziciji stanja. To znači da mogu predstavljati više različitih stanja odjednom za vreme izračunavanja, za razliku od klasičnih bitova koji mogu biti samo 0 ili 1.

U praksi, to se svodi na to da kjubiti mogu inherentno da barataju verovatnoćama i da, tek na kraju izračunavanja sa određenom verovatnoćom, dođe do takozvanog kolapsa njihovog stanja u vrednosti 0 ili 1. Ova superpozicija, zajedno sa kvantnim preplitanjem (fenomenom u kojem su kjubiti međusobno povezani na način da promena stanja jednog kjubita utiče na stanje drugog, bez obzira na udaljenost), omogućava kvantnim računarima da potencijalno reše kompleksne probleme brže od klasičnih računara.

Kako se profesionalci iz ove oblasti suočavaju sa izazovom da izgrade pouzdane kvantne sisteme?

Radoica: Današnji kvantni računari su podložni velikom broju grešaka i upitno je da li su u takvom obliku spremni da dovoljno precizno obave željena izračunavanja. Ovo je delom zbog inherentne nestabilnosti kjubita, koji mogu biti pogođeni promenama u okruženju kao što su temperatura, radijacija, pa čak i kosmičke čestice. Zbog toga, stručnjaci iz ove oblasti rade na različitim rešenjima kako bi umanjili uticaj grešaka, uključujući razvoj sofisticiranih kvantnih algoritama za korekciju grešaka, kao i istraživanje novih materijala i dizajna za stabilizaciju kjubita.

Na primer, tim istraživača u kompaniji Microsoft radi na razvoju takozvanih topoloških kjubita, koji koriste drugačije fizičke principe od drugih popularnih hardverskih platformi kao što su superprovodni kjubiti, za koje se očekuje da će biti manje podložni negativnom uticaju okoline.

Postoje i pobornici ideje da kvantni računari nikada neće biti od praktične koristi jer će količina resursa koji su potrebni da bi se na vreme ispravile sve greške koje se dese u toku izračunavanja biti toliko velika da se algoritam ipak neće izvršiti u nekom razumnom vremenu. Ali, važno je napomenuti da je ovo još uvek vrlo aktivna oblast istraživanja i mnoga od ovih pitanja još uvek nisu potpuno razrešena.

Kvantni računari imaju potencijal da razbiju najčešće korišćene kriptografske sisteme. Kako zaštiti podatke?

Radoica: Jedan od najuticajnijih algoritama na razvoj čitave oblasti je takozvani Šorov algoritam za faktorisanje brojeva koji bi u teoriji mogao da razbije mnoge današnje kriptografske sisteme. Uzevši u obzir moguću sposobnost kvantnih računara da razbiju savremene kriptografske sisteme, postoji veliki interes za razvoj onoga što se zove post-kvantna kriptografija. Ova oblast se fokusira na razvoj novih kriptografskih algoritama koji su otporni na napade kvantnih računara.

Ovi novi algoritmi zasnivaju se na matematičkim problemima koji su za sada neprobojni za kvantne računare, kao što su na primer razni problemi na periodičnim rešetkama. Iako post-kvantna kriptografija obećava, ona je još uvek mlada disciplina i mnogi od njenih aspekata su još uvek predmet intenzivnog istraživanja. S obzirom na to da je u nekim situacijama bitno da određeni osetljivi podaci razmenjeni danas ne budu dešifrovani ni kroz nekoliko decenija kada postoji mogućnost za postojanje dovoljno moćnih kvantnih računara, ulaže se veliki trud i u razvoj kvantnog interneta.

Kvantni internet, kao i kvantni računari, za komunikaciju koristi kjubite umesto bitova, pri čemu zbog kvantne prepletenosti postoji mogućnost za sigurnu razmenu kriptografskih ključeva čime bi se izbegli mnogi problemi “klasične” kriptografije.

Kompanije kao što su Google i IBM ostvarile su nadmoć u ovoj oblasti. Koje su implikacije ovih dostignuća?

Radoica: Eksperiment kvantne nadmoći je do sada uspelo da izvede nekoliko firmi i instituta širom sveta, pri čemu je najpoznatiji eksperiment kompanije Google iz 2019. godine. U pitanju je posebno matematički konstruisan algoritam generisanja nasumičnih brojeva koji je jako teško reprodukovati bez kvantnog računara. Taj algoritam sam po sebi nema nikakvu praktičnu korist osim da demonstrira određenu zrelost tehnologije i potencijal kvantnih računara da reše probleme koji su izvan domašaja klasičnih računara.

Da bi se taj eksperiment izveo bilo je potrebno razviti kvantni procesor sa dovoljno velikim brojem kjubita, odgovarajuće sisteme za borbu sa štetnim uticajem okruženja, matematičke i softverske alate za obradu dobijenih rezultata, te je samim tim već postignut izuzetan pomak. Ti rezultati su dali istraživačima dodatni vetar u leđa da pokušaju da naprave procesore sa još većim brojem kjubita koji bi kao sledeći problem rešili neki od industrijski korisnijih problema kao što je npr. dizajn novih materijala.

Jedan od najvećih izazova u kvantnom računarstvu je povećanje broja kjubita. Kako se istraživači suočavaju sa njime?

Radoica: Sistemi sačinjeni od nekoliko kjubita uspešno su realizovani još pre oko dvadesetak godina. Međutim, jedan od najvećih izazova od tad je povećanje broja kjubita. Za različite hardverske platforme ključni problemi su malo drugačiji. Na primer, za trenutno najpopularnije superprovodne kjubite, jedno od najvećih ograničenja je potreba da se ostvari komunikacija između kjubita i klasične elektronike koja na neki način orkestrira njegovo ponašanje. Ovo dovodi do eksplozije broja potrebnih žica i različite istraživačke grupe pokušavaju na različite načine da se izbore sa ovim.

Drugi problem je što je nakon litografskog štampanja kvantnog čipa potrebno okarakterisati ga, to jest izmeriti sve relevantne parametre i dovesti čip u režim u kom može stabilno da vrši izračunavanja. Ovaj problem za sada postaje sve komplikovaniji sa porastom broja kjubita i često zahteva oko stručnjaka tako da se ulažu veliki napori da se taj proces automatizuje i paralelizuje. Još jedan od izazova je što je superprovodni kvantni čip potrebno čuvati na jako niskim temperaturama reda milikelvina, a za čipove sa većim brojem kjubita potreban je i veći kriostat.

Koje su ključne oblasti interdisciplinarne saradnje i kako one doprinose unapređenju oblasti kvantnog računarstva?

Radoica: Kvantno računarstvo je duboko interdisciplinarna oblast, koja uključuje elemente fizike, matematike, informatike i inženjeringa. Fizika, prvenstveno kvantna mehanika, pruža teorijski okvir za kvantno računarstvo. Matematika i informatika pomažu u razvoju algoritama koji mogu efikasno iskoristiti mogućnosti kvantnih računara. Inženjering je ključan za dizajn i izgradnju hardvera kvantnih računara.

Za sada je većina ovih oblasti isprepletana i stručnjaci u ovoj oblasti su često upućeni u nekoliko aspekata razvoja kvantnih računara. Na primer, u najnovijim istraživanjima koja imaju za cilj da demonstriraju korišćenje trenutnih kvantnih računara, većina učesnika mora da bude svesna većine nivoa apstrakcije, od odlika hardvera do razumevanja težine matematičkog izračunavanja koje će biti pokrenuto na njemu.

Da li u svom svakodnevnom poslu primenjuješ principe kvantnog računarstva?

Radoica: Trenutno radim kao softverski inženjer u Tenderly-ju gde pravimo alate za razvoj i praćenje Web3 aplikacija. Iako Web3 nema nikakvog dodira sa kvantnim računarima (bar za sada), postoji mnogo sličnosti između ove dve oblasti. Obe još uvek nisu postale deo mejnstrima, ali iz godine u godinu privlače sve veći broj inženjera.

Zbog toga su jako dinamične oblasti i samo biti u toku sa svim dešavanjima je veliki izazov. Iako ne koristim direktno principe kvantnog računarstva, bavljenje naukom mi je pomoglo da u svakodnevnom radu analitički pristupam rešavanju problema i budem efektivniji u svom poslu.

Na koji način se informišeš i ostaješ u toku s trendovima i najnovijim tehnologijama koje su bitne za tvoj rad?

Radoica: Jedan od najvećih svakodnevnih izvora informacija su, naravno, konekcije na društvenim mrežama kao i stranice firmi i instituta koji se bave kvantnim računarstvom. Takođe, redovno pratim najnovije preprint-e naučnih radova po ključnim rečima iz ove oblasti, kao i nekoliko istraživača za čiju sam oblast istraživanja zainteresovan.

Postoji, takođe, i veliki broj predavanja i seminara sa popularnih konferencija koji se ubrzo nakon dešavanja podele i na YouTube-u. Pratim i nekoliko opensource projekata za različite framework-e koji se koriste za programiranje kvantnih algoritama i komunikaciju sa kvantnim procesorima, i kao pojedincu ovo mi je jedan od najznačajnijih izvora s obzirom da je nekada jako teško samostalno reprodukovati najnovije rezultate u oblasti.

Šta su, prema tvom mišljenju, najperspektivnije primene kvantnog računarstva u bližoj budućnosti?

Radoica: Prema mom mišljenju, jedna od najperspektivnijih primena kvantnih računara biće u hemijskim i fizičkim izračunavanjima. Ubrzavanje tih izračunavanja dovelo bi do revolucije u razvoju novih materijala i lekova. Razlog za veliku šansu za uspeh kvantnih računara u ovim oblastima je što se ponašanje elektrona u molekulima može na prirodan način opisati kjubitima, a hemijska i fizička svojstva molekula u najvećoj meri zavise od njihove elektronske strukture.

Takođe, postoji veliki broj istraživača koji pokušavaju da ubrzaju ključne algoritme u mašinskom učenju i finansijama, međutim, moje mišljenje je da će se pravi proboji u tim oblastima desiti nešto kasnije zbog potrebe za većim brojem kjubita kao i stvaranje više nivoa apstrakcije koji bi sakrili mukotrpne implementacije matematičkih izračunavanja nad kvantnim registrima.

Takođe, Šorov algoritam će verovatno morati da sačeka bolji trenutak, ali ako do tada dođe do razvoja kvantnog interneta, moguće je da više nikome neće biti preterano interesantan u kontekstu sigurne komunikacije. Uprkos tome, verujem da će biti ključna rutina u mnogim drugim kvantnim algoritmima.