Hoće li kvantna računala ikad opravdati euforiju koja je radi njih nastala?

Jedan stručnjak upozorava da se od tog područja možda i previše očekivalo, drugi pak kaže da je njegova tvrtka na korak do izrade računala za široku uporabu

Uposljednje vrijeme često su mi na pameti kvantna računala. Jedan prijatelj koji voli ulagati u nove tehnologije i koji je dobar poznavatelj kvantne mehanike, mi je poslao članke o tome kako bi kvantna računala mogla pomoći u rješavanju "nekih od najvećih i najizazovnijih problema s kojima se suočavamo", kako je nedavno izjavio komentator magazina Forbes. Tako me je šaljivo upitao: "Što mislite, gospodine veliki znanstveniče, jesu li kvantna računala sljedeća velika stvar?"

Također sam razgovarao o mogućnostima ove tehnologije s dva stručnjaka za kvantno računarstvo koji imaju dva različita pogleda na stvar. Jedan je informatičar Scott Aaronson, koji je, kao što sam jednom rekao, "jedan od najinteligentnijih ljudi s kojima sam se ikad susreo". Bez da ga dodatno posramim, njega vidim kao savjest kvantnog, nekoga tko će se pobrinuti da ovo područje ostane neokaljano.

Drugi je stručnjak fizičar Terry Rudolph. Koautor je "R" PBR teorema, koji zajedno sa svojim poznatijim prethodnikom, Bellovim teoremom, otkriva osobitosti kvantnog ponašanja. 2011. godine časopis Nature opisao je PBR teorem kao „najvažniji opći teorem vezan uz temelje kvantne mehanike“ od objave Bellovog teorema 1964. godine. Rudolph je također autor knjige "K kao kvantno" i suosnivač startup-a za kvantno računanje PsiQuantum. Aaronson i Rudolph su u prijateljskim odnosima; 2007. su napisali rad na tu temu, a Rudolph je o svojoj knjizi pisao na Aaronsonovom blogu. U ovoj ću kolumni pokušati sažeti njihova stajališta i doći do jasnog zaključka.

Prvo, osnove. Kvantna računala iskorištavaju superpoziciju stanja (čestica se istodobno nalazi u dva ili više međusobno isključujućih stanja) i kvantno sprezanje (poseban oblik superpozicije u kojem dvije ili više čestica utječu jedna na drugu na čudan način) za stvari za koje konvencionalna računala nisu sposobna. Bit, osnovna informacijska jedinica današnjih računala, može biti u jednom od dva stanja i predstavlja jedinicu ili nulu. Kvantna računala, s druge strane, koriste qubite (kvantne bitove), koji se sastoje od nanizanih čestica koje se istodobno nalaze u mnogobrojnim kvantnim stanjima.

No, kvantna tehnologija više nije samo akademska tema. Globalni tehnološki lideri poput IBM-a, Amazona, Microsofta i Googlea ulažu značajne resurse u kvantno računarstvo, dok tržište startupova u ovom sektoru neprestano raste—s više od 193 tvrtke prema nedavnim procjenama. Dokaz da sektor privlači ozbiljan kapital dolazi iz ožujka ove godine, kada je startup IonQ sklopio ugovor vrijedan 2 milijarde dolara, postavši tako prva javno trgovana kompanija posvećena isključivo kvantnim računalima.

Prema izvješću Wall Street Journala, tvrtka IonQ namjerava do 2023. godine proizvesti kvantno računalo veličine konzole za videoigre Xbox. Journal nadalje ističe da bi kvantna računala mogla značajno ubrzati izračune u financijama, farmaceutici, istraživanju materijala, umjetnoj inteligenciji i drugim sektorima, ali i potencijalno kompromitirati sigurnosne protokole koji danas štite internetske podatke. Business Insider pak donosi još ambicioznije tvrdnje, sugerirajući da bi kvantna računala mogla omogućiti liječenje raka i pridonijeti smanjenju klimatskih promjena.

Međutim, ne dijele svi entuzijazam oko kvantnih tehnologija. Scott Aaronson, vodeći računalni znanstvenik i stručnjak za kvantno računarstvo, dugogodišnji je zagovornik ove tehnologije i aktivno sudjeluje u njezinom razvoju. Iako bi rado vidio kvantni stroj koji bi dokazao skeptičarima da nisu bili u pravu, zabrinut je da su mnoga očekivanja nerealna. Na svom blogu Shtetl-Optimized, Aaronson je prošlog mjeseca izrazio zabrinutost da je hype oko kvantnih računala izmakao kontroli. Obećanja koja su nekada zvučala hrabro sada su postala ekstremna i nerealna.

"Što se promijenilo?" pita Scott Aaronson. "To što istraživači kvantnih računala sada imaju priliku zaraditi milijune dolara, dobiti dionice, opcije i sve one financijske pogodnosti koje izazivaju efekt ‘ka-ching’ i dolarske simbole u očima investitora. A kako doći do tih milijuna? Dovoljno je reći da će kvantna računala uskoro donijeti revoluciju u tehnologiji. Ili barem ne proturječiti kada to govore drugi." Svoje rezerve prema ovom optimizmu Aaronson je dodatno pojasnio tijekom dvosatne rasprave na platformi Clubhouse, gdje je istaknuo nekoliko ključnih problema.

Prema zagovornicima kvantne tehnologije, kvantna računala će redefinirati strojno učenje, omogućiti precizne simulacije složenih sustava u kemiji, neuroznanosti, medicini i ekonomiji, te riješiti probleme optimizacije poput problema trgovačkog putnika, koji se tradicionalno smatraju preteškima za klasična računala. Ipak, Aaronson upozorava da još uvijek nema čvrstih dokaza da će kvantna računala moći ostvariti ova obećanja, napominjući da bi se kvantni entuzijasti mogli suočiti s ozbiljnim razočaranjem.

Mnogi vjeruju da su kvantna računala samo brže verzije klasičnih računala, jer koriste superpoziciju i upletenost kako bi istovremeno izvodila više operacija. No, to je pogrešno pojednostavljenje, upozorava Scott Aaronson. Kvantna računala nisu samo "brža"—ona su potpuno drugačija, i najkorisnija će biti za specifične zadatke, poput simulacije kvantnih fenomena, gdje klasična računala ne mogu držati korak.

Ideja da kvantno računalo može nadmašiti najbolje klasično računalo naziva se "kvantna nadmoć", pojam koji je osmislio fizičar John Preskill 2012. godine. No, postići kvantnu nadmoć daleko je teže nego što zvuči. Čak i u klasičnom računarstvu, dokazivanje da je jedan algoritam brži od drugog nije jednostavno—morate odabrati pošten zadatak za usporedbu, odrediti točne kriterije mjerenja i osigurati da podaci nisu pogrešno interpretirani. Osim toga, rezultati testiranja često su podložni pogrešnim interpretacijama i pristranosti. "Testiranje stvara golem prostor za manipulacije," kaže Aaronson.

Štoviše, hardver i softver klasičnih računala neprestano napreduju. Do trenutka kada kvantna računala postanu dostupna na tržištu, mogla bi izgubiti potencijalne kupce—posebno ako klasična računala postanu dovoljno moćna da simuliraju kvantne sustave koji su zapravo važni kemičarima i znanstvenicima koji proučavaju materijale, upozorava Scott Aaronson. Iako bi kvantna računala zadržala svoju teorijsku prednost, njihov bi stvarni utjecaj bio znatno manji.

Kako hype oko kvantnog računarstva raste, Aaronson upozorava da istraživači možda nesvjesno obmanjuju investitore, vlade, novinare i širu javnost—pa čak i same sebe. Ako obećanja ne budu ispunjena, entuzijazam bi se lako mogao pretvoriti u frustraciju, nepovjerenje i bijes. U tom slučaju, kvantna tehnologija mogla bi doživjeti vlastiti "mračan period", sličan "zimama umjetne inteligencije", kada su velika očekivanja dovela do razočaranja i smanjenja ulaganja u AI istraživanja.

Mnoge napredne tehnologije—poput genetskog inženjeringa, visokotemperaturnih supervodljivih materijala, nanotehnologije i fuzijske energije—prošle su kroz razdoblja nerealnih očekivanja i pretjeranog optimizma. No, prema Scottu Aaronsonu, kvantno računarstvo posebno je osjetljivo na hiperbolične tvrdnje. Razlog za to mogao bi ležati u činjenici da izraz "kvantno" često simbolizira nešto futurističko, mistično i teško razumljivo.

To me podsjetilo na Terryja Rudolpha. U siječnju mi je, nakon što je pročitao moj tekst o poteškoćama s razumijevanjem Schrödingerove jednadžbe, poslao e-mail s prijedlogom da pročitam knjigu Q Is for Quantum. Ova knjiga od 153 stranice objašnjava kvantnu mehaniku jednostavnim jezikom, uz osnovnu matematiku i puno dijagrama—crno-bijele kuglice koje ulaze i izlaze iz kutija. Od svih stvari koje sam ikada pročitao o kvantnoj mehanici i kvantnim računalima, Q Is for Quantum mi je pružila najviše pravih odgovora.

Terry Rudolph započinje knjigu Q Is for Quantum opisivanjem osnovnih pravila klasičnog računarstva, koja omogućuju manipulaciju bitovima. Zatim prelazi na neobična pravila kvantnog računarstva, koja proizlaze iz superpozicije i upletenosti. Kako bi ilustrirao moć kvantnih računala, Rudolph koristi zanimljiv primjer: lopovi koji pokušavaju ukrasti zlatne poluge zaštićene kodom. Kvantna računala, pokazuje on, mogu riješiti takav problem daleko brže od klasičnih. No, baš kao i Scott Aaronson, Rudolph naglašava da kvantna tehnologija ima ograničenja—ona "ne može riješiti ono što je nemoguće riješiti".

Nakon što sam pročitao knjigu, Rudolph je strpljivo odgovarao na moja pitanja o njoj. Naš razgovor (koji pretpostavlja da ste upoznati s knjigom) možete pronaći ovdje. Također je odgovorio na moja pitanja o tvrtki PsiQuantum, koju je su-osnovao 2016. godine i koja je do nedavno izbjegavala medijsku pažnju. Iako često s humorom umanjuje vlastite znanstvene sposobnosti, što knjizi Q Is for Quantum daje dodatnu pristupačnost, Rudolph je vrlo optimističan kada govori o PsiQuantum-u. Dijeli zabrinutosti Scotta Aaronsona oko pretjeranih očekivanja i izazova povezanih s kvantnom nadmoći, ali naglašava da se te kritike ne odnose na njegovu tvrtku.

Prema Terryju Rudolphu, PsiQuantum ima značajnu prednost pred konkurencijom u razvoju "korisnog" kvantnog računala, uređaja sposobnog za rješavanje problema koji se ne mogu riješiti klasičnim računalima. "Primjer bi mogao biti izračun u kvantnoj kemiji s izravnim primjenama u industriji", objašnjava. Ističe i potencijalni skepticizam: "Jasno mi je da sam subjektivan i da će neki odbaciti moje mišljenje. No, proveo sam mnogo vremena detaljno analizirajući i uspoređujući naš rad s konkurencijom."

Stručnjaci se slažu da pravo funkcionalno kvantno računalo mora imati milijune kubita i sofisticiranu korekciju grešaka. PsiQuantum koristi svjetlosne (fotoničke) kubite i vjeruje da će do sredine desetljeća moći proizvoditi kvantna računala s milijunima kubita, potpuno prilagođena industrijskoj proizvodnji. Tvrtka je sklopila partnerstvo s GlobalFoundries, jednim od vodećih proizvođača poluvodiča, kako bi ostvarila svoj cilj. Njihovi strojevi neće biti mali gadgeti—bit će veličine superračunala ili podatkovnih centara. Većina ljudi ih neće imati u svom uredu, već će im pristupati putem interneta.

centara. Većina ljudi ih neće imati u svom uredu, već će im pristupati putem interneta.Je li moguće da PsiQuantum zaista vodi ispred svih ostalih, kako tvrdi Terry Rudolph? Može li stvarno napraviti komercijalno kvantno računalo do 2025. godine? Iskreno? Nemam pojma. Kvantna mehanika i dalje mi izgleda kao nešto iz znanstvene fantastike. Zato nikome neću reći da ulaže u kvantna računala—ni prijatelju, ni slučajnom prolazniku. Ali vjerujem Rudolphu, baš kao što vjerujem Scottu Aaronsonu.

Još 1994. godine, dok sam pisao kratak članak za Scientific American, napisao sam da bi kvantna računala mogla raditi stvari koje su za klasična računala nemoguće. Od tada sam fasciniran ovom tehnologijom. Ako kvantna računala znanstvenicima pruže moćniji način za razumijevanje složenih pojava, pogotovo čudnih kvantnih fenomena, možda će znanost napokon dobiti potreban zamah za nova otkrića. Tko zna? Nadam se da će PsiQuantum pomoći da kvantna računala napokon ispune očekivanja.