Mozak prosječnog čitatelja gasi se na prvi spomen riječi “kvantno”, a jeftini pisci znanstvene fantastike i prodavači new age pripravaka guraju je u svaku drugu rečenicu, objašnjavajući njome sve nemoguće fenomene i proizvodeći sve sumanutije wellness proizvode.
Toliko se često koristi u modernoj kulturi u toliko različitih konteksta da je polagano izgubila značenje, i praktički je moderni sinonim za “magično”. No, kada najveća tehnološka tvrtka na svijetu u tajnosti testira kvantno računalo, koje je prvi put znatno nadmašilo mogućnosti klasičnih računala, radi se o vijesti koju je potrebno prenijeti i razjasniti, prije svega zato što bi jednoga dana mogla imati ključni utjecaj na društvo u kojem živimo i tehnologiju koja nam omogućava moderno društvo.
Što uopće znači “kvantno”?
U fizici, kvant je minimalna količina nečega. Danas, kada znamo da električni naboj dolazi od protona i elektrona, čini nam se očito da će električni naboj nekog predmeta uvijek biti neki višekratnik elementarnog naboja, no nije uvijek bilo tako.
Max Planck je još 1901. govorio o kvantima materije, elektriciteta, plina i topline. Albert Einstein zamišljao je radijaciju kao individualne paketiće, koje je nazivao “kvantima svjetlosti”. Kada su fizičari počeli proučavati kvantne fenomene, to znači da su počeli proučavati pojedine čestice i njihovo ponašanje. Ono što su otkrili proučavajući stvari na kvantnoj razini išlo je u potpunosti protiv intuicije - stvari koje se događaju u kvantnom svijetu nezamislive su u našem, makroskopskom.
Zašto je kvantna fizika “čudna”?
Kao što je Einstein otkrio da se čudne stvari počinju događati kada se približavamo brzini svjetlosti - vrijeme se usporava, udaljenosti se skraćuju - tako se i čudne stvari događaju kada promatramo pojedine čestice, fotone, elektrone, ponekad i cijele atome.
Pojedine se čestice istovremeno ponašaju i kao čestice i kao valovi, i to na načine koji naizgled nemaju nikakvog smisla. Kada, primjerice, val udara u zid na kojem su dva uska proreza, s druge strane zida iz proreza izlaze dva nova vala, koji se potom miješaju - interferiraju - i nastaje novi val iz kojeg je jasno da je nastao sudarom dvaju valova.
S druge strane, kad u smjeru dva proreza odašiljemo čestice, jednu po jednu, očekivali bismo da ćemo s druge strane zida vidjeti da je čestica prošla ili kroz jedan ili kroz drugi prorez. No, to se ne događa. S druge strane zida vidimo identičnu šablonu rasapa čestica kao da se radi o valovima koji su se sudarali - najviše čestica na drugoj strani završi u sredini, između dvaju proreza. Doima se kao da su se čestice interferirale, ali slali smo ih jednu po jednu - dakle čestica se “sudarala” sama sa sobom!
Kako je to moguće?
Iako nitko ne razumije konkretne mehanizme koji do toga dovode, a teorija je doslovno bezbroj, znanstvenici su zaključili kako se čestice, dok ne dođu u kontakt s bilo kojom drugom česticom, ponašaju kao val - ne nalaze se na točnom mjestu i kreću točnom brzinom, već se njihova lokacija i putanja opisuju uz pomoć teorije vjerojatnosti. “Najvjerojatnije je tu negdje, ali mogla bi ponekad biti i malo dalje”.
Potonji je fenomen dokazan i opažen kao “kvantna teleportacija” - čestica koja se primjerice nalazi s jedne strane barijere, ako ju se ne “promatra”, to jest ne dodiruje druge čestice, može se spontano naći s druge strane barijere, ako formula koja opisuje njenu lokaciju ostavlja dovoljno prostora.
U new age filozofiji mistika se stvara oko toga da se čestice tako čudno ponašaju samo ako ih ne “promatramo”, implicirajući time da mi svojom sviješću utječemo na svemir oko sebe, no u stvarnosti radi se o interakciji između čestica - govorimo o promatranju jer je jedini način da znamo gdje se nešto nalazi da pogodimo česticu s drugom česticom.
Kakva su onda kvantna računala?
Kvantna računala, očekuje se, postat će velik posao u 21. stoljeću. Na njihovu razvoju rade i računalni giganti poput tvrtki Google, IBM, Intel i Microsoft, jer se nadaju da će iskoristiti posebnosti kvantnog svijeta za postizanje nezamislivih rezultata u računarstvu.
Dok je neodređenost čestica dok ih izravno ne opazimo problem u fizici, u računarstvu se ta svojstva mogu primijeniti da bi se istovremeno odradio znatno veći broj operacija nego što bi bilo moguće s elektroničkim sklopovima.
Digitalna računala koriste se bitovima - binarnim reprezentacijama brojeva, koji mogu imati točno dvije vrijednosti, jedan ili nula. Kvantna računala manipuliraju pojedinim česticama koje također predstavljaju bitove u kalkulacijama, i ti kvantni bitovi, zvani kubiti, također u konačnici poprime jednu od dvije vrijednosti, jednom kada se rezultat očita. No, čarolija leži u onome što se događa prilikom kalkuliranja.
Dok kubiti ni na koji način ne interaktiraju s vanjskim svijetom, dok su samo dio izoliranog sustava, priroda kvantne fizike omogućava im da istovremeno budu i nula, i jedan, i svi brojevi između. Zahvaljujući ovom svojstvu, kvantna računala u teoriji mogla bi u trenu odraditi zadatke koji od njih zahtijevaju da prođu kroz golemi broj mogućih rješenja.
Zašto kvantna računala nisu već svagdje?
Najveći je problem dovoljno dobro izolirati čestice koje služe kao kubiti. Kvantna su računala osjetljiva na sve - na vibracije, na bilo kakvo zračenje, na promjene u toplini, čak i na lagane promjene u magnetskom polju Zemlje. Bilo kakva interferencija dok bi kubiti trebali računati, i rezultat će biti iskrivljen. Najnovija kvantna računala izolirana su na sve moguće načine od vanjskih utjecaja, no još uvijek je nemoguće osigurati da svi kubiti rade istovremeno.
Googleovo kvantno računalo Sycamore, koje je i povod za ovaj članak, raspolaže s 54 kubita, no čak i Googleu su radila samo 53. Kako bi kvantna računala postala sveprisutna i istinski korisna, bit će im potrebno mnogo više kubita, koji će morati raditi mnogo pouzdanije, a sustavi će morati imati mnogo bolju kontrolu i korekciju pogrešaka.
Još uvijek smo godinama daleko od toga, no Google je pokazao da će kvantna računala sve češće moći sve više zadataka obavljati bolje od klasičnih računala.
Što je točno Google postigao?
U suradnji s NASA-om, koja je rezultate istraživanja objavila na svojim stranicama pa naknadno ipak sakrila, Google je na svojem kvantnom računalu uspio u samo nekoliko minuta riješiti problem za koji bi najmoćnijem superračunalu na svijetu trebalo barem 10.000 godina.
Pojednostavljeno, Sycamore je izračunao koliko je nasumičan niz brojeva koji su znanstvenici unijeli u njega. Radi se o izračunu koji za sada nema nikakvu praktičnu vrijednost, no dovoljno je poseban da je započeo diskusiju o nadmoći kvantnih računala - prijelomnom trenutku u kojem su kvantna računala u stanju odraditi izračun koji bi bio nemoguć za klasična računala.
Što će nam donijeti kvantna računala?
Uz bolje mehanizme za korekciju pogrešaka, pouzdanija i veća kvantna računala potencijalno bi, u suradnji s mehanizmima za strojno učenje, mogla donijeti revoluciju u rješavanju složenih analitičkih problema - otkrivanje novih materijala, legura, rješavanje logističkih problema, pronalaska novih bioaktivnih molekula i lijekova - sve što posjeduje nepregledan broj mogućih kombinacija, a samo konačan broj korisnih ili iskoristivih rješenja.
S negativne strane, kvantna bi računala mogla označiti i kraj kriptografije i privatnosti na internetu - niti jedna lozinka, niti jedan algoritam za enkriptiranje podataka ne mogu se nositi s računalom koje u nekoliko trenutaka može isprobati sve moguće kombinacije. Iako ta tehnologija neće stići sutra, ona je figurativno već iza ugla, a odgovor na pitanje kako ćemo onda zaštititi svoje podatke od vlada i agencija koje imaju kvantna računala - do daljnjega ne postoji.