Rainer Kaltenbaek. Foto: Angelika Starkl

Vemo pa tudi, da bodo zlomili enkripcijo, ki jo uporabljamo na zdajšnjih računalnikih. O delovanju kvantnih računalnikov je v oddaji Intelekta govoril Rainer Kaltenbaek s Fakultete za matematikov in fiziko Univerze v Ljubljani in Avstrijske akademije znanosti.

Kljub hitremu razvoju vsi računalniki še vedno delujejo na enak način - hitrost in zmogljivost tudi najboljših superračunalnikov je omejena z binarnim zapisovanjem informacij v bite. Kvantni računalnik pa to spreminja, saj deluje popolnoma drugače, drži?
Kvantni računalnik deluje na zelo drugačnih načelih kot računalniki, ki smo jih uporabljali do zdaj. Vsi računalniki, ki jih poznamo, pa naj gre za prve velike računalnike, ki so jih uporabljali v drugi svetovni vojni ali najsodobnejše superračunalnike, delujejo na enakih osnovnih principih. Če smo želeli, da bi bili hitrejši, smo morali uporabiti več tranzistorjev, več procesorjev. Kompleksnejši problem pa rešujejo v vedno enakem zaporedju. Kvantni računalnik obljublja popolnoma drugačno reševanje problema. Če imamo na primer nov, kompleksnejši problem, ga bo kvantni računalnik rešil veliko hitreje kot klasični računalnik. Hitrost je velika prednost kvantnega računalnika. To deluje zato, ker ne uporablja enakih osnovnih elementov kot normalni računalnik. Ta uporablja bite, informacijo torej shranjuje ali kot 1 ali 0, osnovna enota kvantnega računalnika, pa je kubit, ki ni le v stanju 0 ali 1, ampak v stanju superpozicije med tema dvema vrednostima. Kubit je lahko 0 in 1 hkrati. Če imamo veliko kubitov, potem imamo lahko veliko takih superpozicij in veliko možnih stanj, v katerih so vsi ti kubiti lahko. Kvantni računalnik tako izkorišča prednost kvantnega stanja, testira torej vsa možna stanja hkrati - saj je v stanju superpozicije. Od tu torej hitrost kvantnih računalnikov.

Kvantni računalnik bo matematične probleme reševal eksponentno hitreje, ampak ne vseh. Katere?
Gre za specifične probleme. Za zdaj vemo za nekaj problemov, ki jih kvantni računalnik reši eksponentno hitreje od klasičnega. Na primer googlov kvantni računalnik je problem rešil v 200 sekundah, trenutno najboljši superračunalnik v Združenih državah Amerike pa bi za rešitev istega problema potreboval dva dneva in pol - pa gre za najboljši algoritem v najboljšem računalniku. Kvantni računalnik pa v 200 sekundah. Gre za kvantni računalnik, ki ima le 53 kubitov. Če bi na primer imeli le malo večji kvantni računalnik, z nekaj več kubiti, na primer 60 ali 70, bi potreboval več deset ali več sto takih superračunalnikov, da bi rešil lahko isti problem, ki ga kvantni računalnik v nekaj sekundah. Na tej ravni so torej večje hitrosti. Ampak to je le prvi korak. Upamo, da bomo nekoč imeli kvantni računalnik z nekaj sto kubiti. Tak računalnik bo rešil problem, za katerega bi klasični računalnik potreboval milijarde let. Teh hitrosti se veselimo za reševanje določenih problemov.

Zakaj pa potrebujemo tako hitro komputacijo? Na katerih področjih znanosti potrebujemo tako sposobne računalnike?
Primerov je več. Izvirno idejo je imel Richard Feynman, ki je rekel, da bomo na neki točki razvoja računalnikov, ki bodo boljši in boljši, tranzistorji pa manjši in manjši, ti enkrat dosegli kvantno velikost. To je enaka velikost kot velikost atoma, zato bomo morali začeti upoštevati kvantno fiziko. Kot je dejal, bo velika prednost kvantnega sistema, ki ga lahko dobro nadzorujemo, simuliranje drugega kvantnega sistema. Na primer, če želimo simulirati kompleksne mulekule pri oblikovanju novih zdravil. Te molekule so sestavljene iz več deset, več sto, včasih več tisoč atomov. Če imamo na primer 40 atomov v molekuli, najboljši računalnik na svetu nikoli ne bo mogel simulirati te molekule. Za kvantni računalnik pa bi bilo to zelo enostavno, saj gre torej za kvantni sistem, ki simulira vedenje drugega kvantnega sistema. To je ena velika prednost - oblikovanje zdravil. Obstajajo tudi ideje, da bi z njim oblikovali nove naprave, na primer učinkovitejše sončne celice. Ali pa bi z njim bolje napovedovali vreme. Potem pa je tu še primer, za katerega vemo, da bi ga kvantni računalniki lahko rešili. To je faktorizacija velikih števil. Enkripcija, ki jo danes uporabljajo banke, vojska in tudi druge komunikacije, temelji na tem, da je klasični računalniki ne morejo zlomiti. Kvantni računalnik s tem ne bi imel težave. Prav zaradi tega ljudje že razmišljajo o novih načinih enkipcije, o kvantni kriptografiji, da bi se zavarovali pred prihodnjimi zmogljivimi kvantnimi računalniki, ki bi z lahkoto razbil današnjo enkipcijo.

Kvantni računalniki torej obljubljajo veliko, vendar smo šele na začetni točki razvoja. Česa se najbolj veselite, kako bi ga sami najraje uporabili?
Pri kvantnih računalnikih me najbolj fascinira to, da v resnici sploh še ne poznamo njihovega potenciala. Ne vemo, kaj vse bodo zmogli. Ljudje šele zdaj začenjajo razmišljati o tem, za kaj vse bi sploh lahko uporabljali te naprave. Kot sem povedal, nekaj primerov uporabe že poznamo. Najbolj razburljivo pa bo, ko bomo enkrat imeli kvantni računalnik, igranje z njim, preizkušanje, kakšne vse kvantne sisteme z njim lahko simuliramo. Tako bomo odkrili nova vprašanja, na katera sploh še pomislili nismo. Ker smo vajeni razmišljati v klasičnih okvirjih, klasični računalnik dobro pristaja v ta pristop analiziranja sveta. Kvantni računalnik pa bo to zelo spremenil.

Intelekta

V Intelekti so delovanje kvantnih računalnikov približali še Filip Dobranić z Inštituta danes je nov dan, Dragan Mihajlović z Instituta Jožef Stefan in Tadej Hren s centra za kibernetsko varnost SI-Cert.

Kvantni računalniki – zanimivi, a v začetni fazi razvoja