Kvanti v žepu

Kvantni računalniki so v desetletju prehodili osupljivo pot do 66 kubitov, a še vedno ostajajo na ravni prototipov. Rešujejo probleme, s katerimi se učimo njihovih lastnosti, medtem ko zasedajo cele sobe in zahtevajo vsak svojo specifično programsko opremo. A premiki se dogajajo na vseh področjih: pri zmogljivosti, miniaturizaciji in univerzalnosti.

Dasiravno so kvantni računalniki zagotovo prihodnost računalništva, še zdaleč ni jasno, ali bodo njegova edina prihodnost. Začetki so obetavni, a trenutno bi jih lahko primerjali s konvencionalnimi računalniki iz 50. let prejšnjega stoletja. Namreč so veliki, okorni, dragi in v resnici ne preveč hitri. Prva računalniška revolucija se je začela sredi 60. let, ko so izum polprevodnikov iz kovinskih oksidov (MOS), sposobnost vgradnje več deset tisoč tranzistorjev na čip in izdelava mikroprocesorja utrli pot miniaturizaciji računalnikov. Šele ko so ti postali majhni in poceni, z eno besedo dostopni, se je zgodila zgodovina.

Kvantni računalniki niso več le teoretični konstrukt. Še več, od prvih prototipov so napredovali do točke, ko obstajajo komercialni kvantni računalniki, na katerih je mogoče tudi najeti procesorski čas – zlasti v akademske namene. Niso pa še široko dostopni. Trenutno deluje okrog 50 kvantnih računalnikov različnih velikosti, od nekaj do nekaj deset kubitov, ki pa jih druži ena skupna značilnost – razlikujejo se.

Vsakega poganja druga, prav zanj specializirana programska oprema. To je v začetni fazi razvoja razumljivo in primerno, a če naj kvantni računalniki preidejo v širšo uporabo, bo potrebna standardizacija. Enoten operacijski sistem, ki bi podobno kot Linux tekel na vseh sistemih – od najmanjših do največjih, bo v razvoju ravno tako nujen kot miniaturizacija.

Obeh problemov hkrati so se lotili v konzorciju najpomembnejših britanskih podjetij, ki se ukvarjajo s kvantnim računalništvom. Konzorcij, ki ga vodi Riverlane, je lani prejel velik državni projekt. Lani so pokazali prve delujoče prototipe operacijskega sistema, letos pa še miniaturizacijo.

Operacijski sistem

Podjetje Riverlane je leta 2016 ustanovil Steve Brierley, ki je bil tedaj na Univerzi v Cambridgeu višji znanstveni sodelavec za področje aplikativne matematike, v praksi pa strokovnjak za kvantno računalništvo. Leta 2017 je zapustil akademijo in se v celoti posvetil podjetju. Riverlane je prvi večji preboj dosegel leta 2019, ko je zbral 3,25 milijona funtov zagonskega kapitala skladov tveganega kapitala in cambriškega podjetniškega inkubatorja. Lani pa je konzorcij, ki pod vodstvom Riverlana vključuje še SeeQC, Hitachi Europe, Universal Quantum, Oxford Ionics, Oxford Quantum Circuits, ARM in britanski Nacionalni laboratorij za fiziko (NPL), prejel še 7,6 milijona funtov vreden državni projekt za razvoj operacijskega sistema za kvantne računalnike.

Kvanti biti oziroma kubiti

Osnovna enota za kvantno informacijo je po analogiji s klasično informacijo kvantni bit ali krajše kubit. Zmogljivost kvantnega računalnika definira število kubitov, ki jih lahko obdeluje. Povečevanje števila kubitov je ključnega pomena, saj z njimi potenčno raste zmogljivost. V nasprotju z biti, ki so vedno v stanju 0 ali 1, so kubiti lahko v superpoziciji obeh stanj, hkrati pa med njimi vlada kvantna prepletenost. Poenostavljeno moremo reči, da kvantni računalniki hkrati rešujejo več inačic problema, ko pa se kvantna superpozicija poruši, se z največjo verjetnostjo sedejo v najugodnejše stanje, ki je tudi rešitev problema (če je algoritem primerno zasnovan).

Seveda so operacijski sistem začeli pisati že bistveno prej, saj je bil to glavni razlog za nastanek odcepljenega podjetja. Ko je nastajal Riverlane, namreč ni bilo niti enotnega programskega jezika za kvantne računalnike, kaj šele operacijskega sistema. Vsakdo, ki je razvijal svoj kvantni računalnik, je moral napisati čisto vse od začetka. In obratno, kdorkoli je želel uporabljati kvantni računalnik, je moral za vsakega posebej prilagoditi svoje naloge (čeravno je algoritem seveda lahko enak). Googlov jezik se imenuje Cirq, IBM ima Qisket, Cambridge Quantum Computing tket in Xanadu PennyLane.

Decembra 2019 je Brierley javno napovedoval, da bodo v poldrugem letu razvili delujoč operacijski sistem in ustrezen firmware, ki bo na kvantnih računalnikih komuniciral z operacijskim sistemom. ARM bo razvil ustrezne emulatorje za Deltaflow.OS, kot se bo imenoval operacijski sistem, Riverlane pa se bo osredotočil na aplikacijski sloj. Končni cilj je namestiti Deltaflow.OS na vse večje kvantne računalnike v Združenem kraljestvu. Oxford Quantum Circuits (OQC) je trenutno edini komercialni ponudnik kvantnih računalnikov v Združenem kraljestvu, zato bo seveda prilagoditev za Deltaflow.OS ključna. OQC trenutno ponuja predvsem kvantne storitve v oblaku, torej kot zakup procesorskega časa.

Operacijski sistem Deltaflow.OS, ki ga razvija Riverlane.

Kubiti na čipu

Trenutne izvedbe kvantnih računalnikov so velike in zasedajo cele sobe. Ko so junija letos znanstveniki z Univerze v Innsbrucku sporočili, da so izdelali 24-kubitni kvantni računalnik, ki meri 3,4 kubičnega metra, je bil to izjemen dosežek. Za primerjavo, to sta približno dve strežniški omari. Ne smemo namreč pozabiti, da bo za praktično uporabnost potrebnih več sto ali tisoč kubitov. Trenutno jih ima najboljši kitajski kvantni računalnik 76.

Kvantni računalniki so tako veliki zaradi načina, kako so fizikalno izvedeni kubiti. V avstrijskem superračunalniku so pozitivno nabiti kalcijevi kationi, ki so ujeti v električnem polju. Manipulirajo jih z laserskimi pulzi, za usklajeno obnašanje pa poskrbi kvantna prepletenost (quantum entanglement) sistema. Avstrijci so sistem pomanjšali tako, da so namesto vodoravne razporejenosti komponente zlagali eno nad drugo, saj je bil od začetka cilj računalnik stlačiti v standardne strežniške omare. Večina opreme je tako in tako namenjene varovanju kubitov pred zunanjimi vplivi, kamor v prvi vrsti prištevamo hlajenje. Vsak šum namreč skrajša uporabni čas za izračunavanje, ki je že zdaj zgolj kakšnih 100 milisekund.

Kvantni računalnik Univerze v Innsbrucku gre v dve standardni strežniški omari.

Še vedno pa bi želeli imeti kubite v velikosti mikroprocesorja, torej na nekaj kvadratnih centimetrih, in to po možnosti tisoč. Vrnimo se k britanskemu projektu, ki ga vodi Riverlane. Konec junija so sporočili, da je podjetje Seeqc, ki je tudi partner v projektu, pomanjšalo kvantno platformo na raven čipa. V praksi to torej pomeni, da kvantni operacijski sistem teče na čipu s kvantno arhitekturo.

Seeqc je izdelal sistem za upravljanje kubitov DQM (Digital Quantum Managament) na čipu (System-On-Chip). Na čipu je poseben koprocesor SFQ (Single Flux Quantum), ki služi kot vmesnik med operacijskim sistemom in kvantnim delom. Nad njim je potem DQM, ki se povezuje s kubiti. Tako lahko razvijalci kvantne programske opreme na predvidljiv način manipulirajo s kubiti.

V praksi to ne pomeni, da so na silicijevo rezino (wafer) stlačili več kubitov, čeprav bi iz visokoleteče predstavitve lahko tako razumeli, jim je pa uspelo pognati kvantni operacijski sistem na standardnem čipu, ki ima ustrezna vezja za povezavo s kvantnimi procesorji.

Rezina za povezavo s kvantnimi računalniki, ki jo je razvil Seeqc.

Kaj pa veliki?

Google je oktobra 2019 vehementno razglasil kvantno premoč (quantum supremacy), s čimer označujemo dogodek, ko kvantni računalnik reši problem, ki ga klasični računalnik ne bi mogel. Tedaj so uporabili računalnik Sycamore, ki je imel 54 kubitov. Čeprav je zlasti konkurent IBM imel precej očitati dosežku, je nekako obveljalo, da je Googlu uspelo.

A konkurenca seveda ne spi. Po štetju Quantum Computing Reporta je bilo junija letos 98 organizacij, ki so se ukvarjale s kvantnimi računalniki ali kubiti. Največji je IBM, ki ima trenutno 20 kvantnih računalnikov, čemur nihče ni prišel niti blizu (niti Google).

Trenutno ima neuradni rekord po številu kubitov Kitajska (University of Science and Technology of China) s 66 kubiti, sledijo pa IBM s 65, Google s 53, Intel z 49 in Rigetti z 32. Število kubitov ni edini faktor, saj sta pomembna še čas vzdrževanja kvantne prepletenosti (coherence time) in kakovost vrat (gate fidelity). Poleg tega so pomembni še programska oprema, krmilna elektronika in klasični procesorji. Na teh področjih sta trenutno vodilna IBM in Google. Kitajski kvantni superračunalnik je pri izračunu uporabil 56 kubitov in je od Googlovega Sycamora hitrejši od 2- do 3-krat.

Napovedi za prihodnost so smele. IBM načrtuje Eagle, ki bo še letos prinesel 127 kubitov, prihodnje leto 433 in čez dve leti 1.121. Google se trenutno posveča izboljševanju vrat, torej zmanjševanju napak (zaradi katerih običajno račune na kvantnih računalnikov ponavljamo), Rigetti pa se posveča kvantnemu računalniku z več čipi, torej nekakšnim kvantnim »večjedrnikom«. Vsi ti delajo s superprevodnimi kubiti.

Ionske pasti, kot so v avstrijskem superračunalniku, so prav tak obetaven način. IonQ ima že 32 kubitov, AQT jih ima 24 in Honeywell 10. Še ena tehnika so kubiti na spin v silicijevih atomih (silicon spin qubits), ki so precej manjši, zato jih bo mogoče posaditi več. Tak kubit je v celotni izvedbi manjši od konice svinčnika.

Dopolnilo, ne zamenjava

Kvantni računalniki ne bodo nikoli zamenjali klasičnih računalnikov, podobno kot letala niso zamenjala helikopterjev niti koles. Preprosto so namenjeni reševanju drugih problemov. Ko smo izumili letalo, smo rešili problem hitrega medcelinskega transporta, za katerega prej ni bilo rešitve, a zato drugi problemi (prevoz po mestu) niso izginili.

Kvantnih računalnikov verjetno ne bomo imeli na domači mizi – čeprav nikoli ne reci nikoli –, temveč bodo podobno kot današnji superračunalniki zaposleni z reševanjem sveta na inštitutih, univerzah in v multinacionalkah. Trend selitve v oblake je navsezadnje prisoten že pri današnji opremi.