šta su Kvantni računari i kvantni internet

 

IT tehnologija koja bi mogla uvesti revoluciju u budućnosti

Autor: Don Linkoln – stariji naučnik Fermi National Accelerator Laboratoriji.

Priredio: A.Manojlović

Savremena nauka često iznosi neke neverovatne tvrdnje, ali za njenu najneverovatniju disciplinu može se smatrati kvantna fizika. Uobičajeno spominjane kvantne ideje uključuju mačke koje su istovremeno žive i mrtve dok ih neko ne pogleda i više svetova u kojima ne samo da je sve moguće, već se sve stvari stvarno dešavaju – barem u paralelnoj stvarnosti.

S takvim predviđanjima, koja iskrivljuju um, potpuno je razumno zamisliti da iz kvantne fizike ne može proizaći korisna tehnologija. Međutim, ovo nije tačno. Fizičari, inženjeri i računarski naučnici pokušavaju da iskoriste kontra intuitivno ponašanje kvantne mehanike da bi izgradili kvantne računare, što će na kraju dovesti do kvantnog interneta. Ovaj napor nije samo apstraktni cilj akademika; američka vlada ga smatra kao važnu nacionalnu inicijativu.

Federalne agencije su počele da postavljaju okvir za američku kvantnu infrastrukturu. Odeljenje za energetiku, na primer, planira da poveže svoje laboratorije sa kvantnim internetom.

Kvantni internet je i sličan i različit od običnog interneta. Sličan je po tome što povezuje računare, mada samo kvantne. Drugačije je jer je način na koji ovi računari komuniciraju u osnovi nehakabilan. Svaki pokušaj presretanja poruke, kaže primaocu da je neko pročitao pre nego što je isporučena. Da bi se pridržavali nove inicijative, univerziteti i nacionalne laboratorije u zemlji započeli su razvoj sposobnosti neophodnih za stvaranje uspešnog  kvantnog interneta. Jedan od takvih pomaka bio je uspešan prenos kvantnih informacija koje je ovog meseca najavio konzorcijum univerziteta nacionalnih laboratorija i privatne industrije. Ovo je važan korak ka izgradnji kvantnog interneta. (Otkriveno je: Jedna od povezanih laboratorija je Fermijeva nacionalna laboratorija za akceleratore, ustanova u kojoj je autor ovog članka zaposlen, iako priznaje da ne učestvuje u stvaranju ovog posebnog dostignuća)

Kvantno računanje se u mnogo čemu razlikuje od uobičajenog. Prvo, obični računari su zasnovani na koncepciji bita, i praktično to je prekidač koji se može „uključiti“ ili „isključiti“ a to IT profesionalci nazivaju 1 ili 0.

Nasuprot tome, kvantni računari koriste kubit, skraćenicu od „kvantni bit“. Kubiti su nekako slični običnim bitovima, jer se mere kao 0c i 1c. Ovaj delić kvantne magije je potpuno isti (i jako zbunjujući) slično Šredingerovoj mački.

Austrijski fizičar Ervin Šredinger je 1935. godine osmislio misaoni eksperiment da bi ilustrovao apsurdnost kvantne teorije nazvane Kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike. Tumačenje iz Kopenhagena, nazvano po gradu u kojem je izmišljeno, kaže da kvantni sistem istovremeno može biti dve suprotne stvari dok se ne izvrši merenje.

Primer kvantnog sistema je radioaktivni atom koji se, prema tumačenju u Kopenhagenu, i raspada i ne raspada dok ga neko ne izmeri. Šredinger je zamislio neki radioaktivni materijal u zatvorenoj kutiji koja je uključivala detektor zračenja, čekić, bočicu sa otrovnim gasom i mačku. Ako se atom radioaktivne supstance raspadne, detektor bi ga snimio i pustio čekić da razbije bočicu sa otrovom, što bi zauzvrat ubilo mačku.

Prema zakonima kvantne mehanike, dok se kutija ne otvori, atom se istovremeno i raspada i ne raspada, što znači da je mačka bila i živa i mrtva. Šredinger je smatrao da je to apsurdno i tvrdio je da je njegov misaoni eksperiment poništio kopenhagensku interpretaciju kvantne mehanike.

Pa ipak, ideja da kvantna mehanika omogućava da objekat istovremeno bude u dve suprotne konfiguracije zapravo je tačna. Kubit u kvantnom računaru je i 0 i 1 i to u jednom trenutku. To zvuči nemoguće, ali to je jedna od stvari koja razlikuje kvantni svet od našeg poznatog. Subatomske čestice poput elektrona mogu biti na dva mesta ili jednom ili se istovremeno mogu okretati u suprotnim smerovima. Upravo ti suprotni smerovi čine kubit. Obrtanje elektrona u smeru kazaljke na satovima je 0, a suprotno tome je 1 (ili obrnuto).

Prvi kvantni računar koji je radio predstavljen je 1998. godine. Bio je vrlo primitivan, jer je to bio tzv. „bebin korak“. Kvantni računari imaju snage i slabosti. Za većinu problema, kvantni računar nije zaista brži od vrhunskih običnih računara. Međutim, zbog određenih problema – poput razbijanja koda – kvantno računanje ostavlja redovne računare u „prašini“.

Kada napredni kvantni računari postanu stvarnost, moći će da razbiju kodove neuporedivo brže nego što je to trenutno moguće. Ono što kvantni računar uradi za nekoliko sekundi, klasičnom bi trebalo neuporedivo duže vremena. Na primer, Gugl je najavio algoritam koji na kvantnim računarima radi stotinu miliona puta brže od običnih.

Kvantni računari se ne ističu samo u dešifrovanju već i u šifrovanju. Razvijeni su kvantni algoritmi za koje se smatra da su neraskidivi. Upravo te kriptografske mogućnosti zanimaju i nacije i korporacije uključujući i e-trgovinu.

Naravno, savršeni kvantni računari još uvek nisu dostupni i možda nikada neće biti. Za razliku od običnih računara, kod kojih je lako prepoznati da li je bit uključen ili isključen, u kvantnim računarima kubiti su vrlo osetljivi na svoje okruženje, posebno na toplotu. Vibracije atoma računara mogu uništiti informacije pohranjene u kubitima, što zahteva da kvantni računari budu na vrlo niskim temperaturama.

Iako mnoge institucije razvijaju kvantne računare, stvaranje kvantnog interneta zahtevan je način za prenos podataka između računara. To se postiže fenomenom zvanim „kvantna teleportacija“ u kojem su dva atoma razdvojena velikim udaljenostima napravljena da deluju kao da su identična.

Nedavni napredak konzorcijuma IH-K-NET, na čelu sa Caltech-om i sa mnogim institucionalnim saradnicima, uspešno je pokazao kvantnu teleportaciju na velike daljine na dva testna modula, jedan smešten u Caltech-u, a drugi u Fermilabu (nacionalna laboratorija Ministarstva energetike SAD, ispred Batavije, država Ilinois) nedaleko od Čikaga. Ovo dostignuće koristi komercijalno dostupnu opremu i važan je korak u razvoju kvantnog interneta.

Još uvek je nejasno i vrlo rano govoriti u kom tačno smeru ide kvantni internet.  Njegovi zagovornici su veoma oduševljeni njegovom budućnošću, dok drugi (uključujući i autora ovog teksta) gledaju na to veoma oprezno. Međutim, nema sumnje da ga njegove mogućnosti izrade koda i prekida čine zanimljivim i perspektivnim u mrežnom okruženju zbog zaštite od hakovanja.

Gde će biti kvantni računari za jednu deceniju? Teško je reči. Ali imamo dugu istoriju impresivnih naučnih podviga da bismo bili optimisti. 1783. godine, kada je Bendžamin Frenklin gledao prvi let balonom, pitali su ga kakva je korist od toga? Odgovorio je čuvenom šalom – „u čemu je korist od novorođenčeta?“. A danas letimo po svetu i osvajamo svemir.

Kvantno računarstvo je još uvek u povojima, ali jednog dana može promeniti svet. Ipak, moramo sačekati i videti.