Prvi kvantni računalnik v Sloveniji - Popolnoma drugačen računalnik

»Živijo, Vlado, morda te bo zanimalo: kupil sem kvantni računalnik.« Tako se je začel klic sredi oktobra, ki je prišel kot strela z jasnega. Na drugi strani telefonske linije je bil Aljoša Žerjal, moj srednješolski učitelj fizike in mentor, zaradi katerega sem se navdušil nad računalništvom.

SpinQ Gemini Mini je navzven bolj podoben toasterju kot računalniku.

»Ti si naredil … Kaj?« je bila moje nejeverna reakcija. »Zakaj si kupil kvantni računalnik? Kaj boš počel z njim? Kako je to sploh videti? A je to res čisto pravi kvantni računalnik?« Kvantni računalniki so nenazadnje ta hip v sami konici tehnoloških dosežkov, nekaj, kar povezujemo z laboratoriji vesoljske agencije Nasa, vojsko, velikani, kot sta Google in IBM. Nekaj, za kar sploh nisem vedel, da je mogoče kupiti. Pa tudi, če se bi se dalo, to stane kopico milijonov dolarjev, mar ne? Kje je Aljoša dobil ta denar? Kaj se dogaja?

V trenutku sem se počutil, kot da se je čas vrnil v prvo polovico 80. let prejšnjega stoletja, ko sem videl prvi osebni računalnik. Kakopak, imel ga je Aljoša, ki ima pomembno vlogo pri tem, kaj sem postal in kaj počnem. A o tem malo več v ločenem okvirju. Podobno kot v tistih časih sem se v trenutku srečal z neznanim področjem, takoj je v meni zrasla radovednost in usulo se je več vprašanj kot odgovorov. Prevzeli sta me tista nemirnost in navdušenost, ki ju v sodobni računalniški tehnologiji skoraj ne srečam več ali pa le redko. Preredko.

Takoj sem se dogovoril za obisk, da se osebno prepričam in poročam, kako ta zadeva, hmm, deluje. Kdor misli, da sem prišel v sterilno čist laboratorij z računalnikom, ki spominja na vesoljsko tehnologijo, se krepko moti. Na delovni mizi je stala škatlica, SpinQ Gemini Mini, ki najbrž vsakega najprej spomni na opekač kruha (toaster). A to je to? A je to res ali zgolj nateg?

Nakup kvantnega računalnika

Zgodba o tem, kako je Aljoša prišel do prvega kvantnega računalnika v Sloveniji, zelo verjetno celo v širi regiji, je skoraj tako zanimiva kot sam računalnik. Kot že rečeno, kvantnega računalnika se ne da kupiti kar tako, v bližnji trgovini z elektroniko.

Za začetek, Aljoša je navdih zanj dobil v naši reviji! Našel je informacijo, da na Kitajskem nekdo razvija manjše kvantne računalnike z le nekaj qubiti, ki stanejo samo nekaj dolarskih tisočakov, namenjeni pa so predvsem izobraževanju. Lahko bi jim rekli prvi »osebni kvantni računalniki«, če kaj takega sploh lahko obstaja.

Poiskal je spletno stran podjetja SpinQ, ki ima sedež v tehnološkem parku v mestu Šenzen na Kitajskem. S kvantnimi računalniki se ukvarjajo od leta 2018, nastali pa so kot spin off nekaterih ugledih univerz, toda tam se je ustavilo. Na povpraševanje prek elektronske pošte se niso odzivali, zdelo se je kot še ena tistih zgodb, ki ne bo doživela nadaljevanja. Nenazadnje so kvantni računalniki taka posebnost, da so brez dvoma celo predmet državnih, morda celo vojaških skrivnosti. Sploh če govorimo o visokotehnološkem podjetju s sedežem na Kitajskem.

Toda do preboja je prišlo, ko je direktor družbe SpinQ sodeloval na neki mednarodni konferenci o kvantnem računalništvu, tam pa so objavili tudi njegov osebni elektronski naslov. Če malo pohitrimo, Aljoša in direktor družbe SpinQ sta vzpostavila kontakt, SpinQ je privolil v izdelavo in prodajo najnovejšega, najcenejšega in najmanjšega modela, konec poletja so ga poslali na pot, oktobra je prispel v Koper. Navaden smrtnik se pri tem vpraša, kako je tak kos visoke tehnologije sploh premostil nedvomno številne državne kontrole, tako na Kitajskem kot v Evropi. Odgovor je najbrž ta, da osebe na mejnih kontrolah niso imele pojma, za kaj gre. Toaster pač.

SpinQ Gemini Mini

Prišel je torej trenutek za 'preizkus' kvantnega računalnika. Preizkus je v resnici pretirana trditev. Bolje rečeno, prvi pogled, saj sploh ne vem, kaj in kako naj bi preizkušal. Jemljite torej ta zapis res kot prvi vpogled, skoraj tako bežen, kot ga lahko dosežemo, če neko zanimivost za kratek hip vidimo na sejmu in že vnaprej vemo, da ne bo dovolj časa za temeljitejši pregled.

Nad jedrom je stekleni pokrov, da lahko opazujemo notranjost.

Zraven omenjenega 'toasterja' (SpinQ Gemini Mini) sta stala Aljoša in moj dolgoletni prijatelj Dean Mozetič, ki je bil sonavdušenec in hkrati vzornik že v časih, ko smo podobno secirali tisti prvi Tandy Shack TRS-80 in malo kasneje ZX Spectrum. Z besedami ne morem dovolj dobro opisati, kako zelo primeren je Dean za tovrstno prvo spoznavanje in preizkušanje naprave, ki deluje kot nekakšna 'črna škatla' (blackbox).

V primerjavi z elektronskimi napravami je namreč to nekaj povsem drugačnega. Aljoša in Dean sta mi takoj omenila, da strokovnjak za IT (hm, jaz?) tega sploh ne bo mogel razumeti, ker bo nenehno iskal podobnosti z digitalnimi računalniki. In to menda ni prava smer razmišljanja. Za razumevanje delovanja je potreben fizik, za pripravo 'računalniške naloge' pa zelo dober matematik. Ostali lahko stojimo in opazujemo. Tudi po tem, ko sem si bežno ogledal delovanje računalnika in naknadno prebral kopico člankov, verjetno razumem le okoli 10 odstotkov tega, kar je bilo zapisano ali povedano. Revija Monitor pa je priča tega, koliko klasične (?!) računalniške tehnologije sem predstavil, preizkusil in opisal v zadnjih 30 letih. Pozabite na vse to, začeti je treba na novo.

Pred mano je torej kvantni računalnik, čeprav bi lahko bil tudi toaster. Malo me tudi spominja na moj malce starejši brizgalni tiskalnik z vgrajenim optičnim bralnikom na vrhu, le da je brez pokrova. To pa zato, ker so avtorji namesto običajne zgornje plošče vgradili stekleno, da lahko radovedneži opazujemo notranjost, z upanjem, da bomo kaj videli.

V resnici v notranjosti ni kaj dosti videti. Na sredini je kvantno magnetno jedro, ki bolj spominja na mehansko napravo kot na nekaj, kar povezujemo z elektroniko. Poučili so me, da ima jedro več skupnega z medicinskimi napravami za magnetno resonanco kot z računalniki. SpinQ je namreč svoj računalnik zasnoval na osnovi naprave, ki v magnetnem polju manipulira atome specifičnih spojin in tam izkorišča lastnosti kvantnega sveta. V tem jedru se nič ne premika, nič ne sveti, nikakor ni mogoče ugotoviti, ali kaj dela ali ne.

Celoto krmilimo s krmilnim računalnikom v obliki tablice s programom na Androidu.

Na obrobju notranjosti je nekaj malega elektronike, ki pa je najbrž tam zaradi napajanja magnetnega jedra pa verjetno za povezavo krmilnega računalnika s kvantnim jedrom. Dean me je opozoril na zadnjo stran računalnika, kjer je opazil nabor majhnih diod LED, ki očitno nekaj počnejo, medtem ko kvantni računalnik vrši kvantne izračune. Seveda ni nič od tega dokumentirano in za zdaj lahko le s preizkušanjem ugibamo, kaj pomeni določena kombinacija prižganih barv. To zveni tako … 80., celo 70. leta, ko so bili računalniki še elektronsko zelo preproste naprave, brez kakršnihkoli uporabniških vmesnikov. Za tiste bi se zdel celo današnji Raspberry Pi kompleksna naprava.

Na prednji strani računalnika SpinQ Gemini Mini kraljuje velik zaslon na dotik, ki pripada vgrajenemu tabličnemu računalniku z Androidom, s katerim krmilimo celoto. Avtorji se niso kaj dosti ubadali s tem delom, krmilni računalnik je kar ena od tistih kitajskih tablic brez imena. Ta nima nobenega vidnega vmesnika, za zdaj vemo le, da delujeta brezžični in bluetooth vmesnik, s katerim je Dean kvantni računalnik povezal s pecejem.

Hiter pregled celotnega kvantnega računalnika z vseh strani razkrije, da na njem ni niti ene same samcate vtičnice, z izjemo tiste za napajalni kabel. Kvantni računalnik seveda ni namenjen za rabo z urejevalniki besedil in podobne vsakdanje zadeve, torej ne rabi uporabniških vmesnikov. No, vsaj ta izvedba, ki je več kot očitno namenjena res pretežno izobraževalnim namenom in ne nujno tudi kaki uporabni zadevi.

Začetki osebnega računalništva v Sloveniji

Dogajalo se je spomladi leta 1981. Informativni dan za odločitev, v katero srednjo šolo sem bom vpisal. Ob robu predstavitve na koprski gimnaziji sem opazil škatlo s tipkovnico in ob njej manjši televizor, ki so ju gostitelji imenovali računalnik. Do tedaj sem le bežno vedel, za kaj gre.

Računalnik je bil Radio Shack Tandy TRS-80, verjetno eden prvih, morda celo prvi osebni računalnik, ki je prišel v te prostore – Slovenijo in verjetno tudi celotno Jugoslavijo. Vsaj tako domnevamo, pravi viri so že davno pozabljeni ali izgubljeni. Žal s tem tudi usoda tega konkretnega računalnika.

Aljoša Žerjal (desno) in Dean Mozetič (levo), pionirja osebnega računalništva v 80. in kvantnega računalništva danes.

Lastnik je bil tedanji profesor fizike Aljoša Žerjal, za prijatelje Cale, ki ga poznajo številne generacije gimnazijcev v Kopru. Namesto da bi ga imel doma, je Cale ta prvi osebni računalnik nesebično posodil dijakom za pridobivanje novih znanj. Računalnik je bil na voljo v majhnem laboratoriju fizike na koncu hodnika ob glavnem atriju v šoli. V njem se je naslednjih nekaj let srečevala skupina ljudi, ki je naredila prve majhne, a zanje velikanske korake v osebnem računalništvu. V čast mi je, da sem bil eden od njih.

Med njimi je bil tudi Dean Mozetič, starostno moj vrstnik, a zaradi izjemne nadarjenosti dve leti pred vsemi nami. Dean je bil tisti, ki je prvi odkrival skrivnosti delovanja računalnika in razvijal prve programe, tako v Basicu kot strojnem jeziku (Assemblerju). Vsi ostali smo se učili od njega. Fizik in matematik po strokovni plati, navdušenec nad računalniki po duši. Talent, kakršnega sem od takrat malokrat videl. To, da sem ga desetletja kasneje srečal ob prvem kvantnem računalniku, me pravzaprav niti najmanj ne preseneča. Zdi se mi skorajda logično, čeprav malo hecno.

Zgodba se še nadaljuje. Med prvimi v Sloveniji smo kupili znamenite Sinclair ZX Spectrume in z njimi še kot srednješolci poučevali mladino, v našem primeru sošolce in ob posluhu lokalnih ravnateljev celo v krožkih osnovnošolce. Navdušenje je trajalo celotno srednjo šolo. V mojem primeru se je nadaljevalo v poklic in najbrž prispevalo k temu, da sem kasneje pomagal pri nastanku revije, ki jo trenutno berete.

Radio Shack Tandy TRS-80, domnevno prvi osebni računalnik v Sloveniji.

Toda zgodba z Aljošo in Deanom se še nadaljuje. Slučaj je nanesel, da so leta 1984 (če se ne motim) v Portorožu priredili svetovno olimpijado iz matematike. Aljoša Žerjal je bil med soorganizatorji in je v ta namen uredil, da je za potrebe tega dogodka družba IBM v Slovenijo (oziroma Jugoslavijo) pripeljala prve osebne računalnike IBM PC in jih posodila. Danes menimo, da so bili to povsem prvi primerki, ki so prišli v tedanjo državo, domnevamo celo vzhodno Evropo. Tako kot v primeru TRS-80 je Aljoša računalnike dal na voljo tej isti skupini navdušencev, kar je bilo za tedanje čase izjemno.

Iz te valilnice talentov so kasneje nastajale še številne druge generacije navdušencev in strokovnjakov. Med drugimi je po tej poti šel tudi Matjaž Klančar, današnji glavni urednik revije Monitor. Ostanek Slovenije te zgodbe ne pozna, zato se mi zdi prav obuditi spomin na te začetke računalništva v Kopru in tudi celotni Sloveniji.

Tehnične značilnosti

Poskušal sem torej izvedeti kaj več o tej čudni napravi. Zanimalo me je, kako se je Dean lotil zadeve. Morda s prebiranjem navodil? A se je samo zarežal in pred mene položil nekaj listov debelo skripto, ki ji proizvajalec pravi navodila. Polovica skipte je neuporabna, saj obsega samo slike naprave in varnostne napotke za uporabo. Praktičnih navodil za uporabo sploh ni!

Dean in Aljoša sta jo celoto spravila v delujoče stanje neposredno ob pomoči tehnika na Kitajskem, ki je na daljavo pomagal s kalibracijo. Da, prav ste prebrali, kvantni računalnik je za pravilno delovanje treba umeriti (kalibrirati), sicer bo zanesljivost (!) njegovih rezultatov precej manjša od deklarirane.

Ostal sem na strani s tehničnimi podatki, a sem se moral potruditi, da sem jih vsaj nekaj razumel. Računalnik ima dva kubita. To še razumem, to je 'malo'. IBM in Google imata že nekaj časa računalnike, ki imajo 50 kubitov ali več, kar je že resna zadeva, toda s ceno merjeno v milijonih dolarjev.

Kvantni računalnik za delovanje potrebuje kalibracijo sistema.

Ta dva kubita pa staneta kot rabljen avto, a precej več kot povprečen osebni računalnik. Torej še vedno le za resne navdušence. Po drugi strani pa sta dva kubita tako malo, da ta računalnik v resnici algoritmov ne bo nikoli hitreje končal kot konvencionalni digitalni računalnik. Gemini Mini pač ni za rušenje računskih rekordov, temveč za potrjevanje konceptov in učenje.

Priročnik navaja, da računalnik podpira časovno koherenco večjo od 20 ms. Piše tudi, da podpira operacije z enim kubitom z vsaj 30 vrati, če pa uporabimo oba kubita, je na voljo vsaj 10 vrat. 'Vsaj' sem zapisali zato, ker jih je v praksi verjetno nekaj več. Uporabniški vmesnik jih dovoljuje do 60, vendar za zdaj nismo prepričani, kje je dejanska meja, saj algoritmov ni prav enostavno spreminjati. Ta preizkus še sledi.

Celota komunicira z jedrom pri razmeroma visokih frekvencah: Qubit frekvenca H je 27 MHz (+/–1,5 MHz), Qubit frekvenca P pa 11 MHz (+/– 0,5 MHz). Seveda moram spet vprašati, kaj to pomeni. Sledi kopica drugih parametrov, s katerimi vas raje ne bi moril, ker tako kot jaz ne boste razumeli. Ne še, verjetno pa bo prišel tudi čas, ko bo to dobro vedeti.

Vgrajeni magnet ustvari polje jakosti 0,65 tesle. Deluje v sobnem temperaturnem območju 10–40 stopinj Celzija z natančnostjo 0,1 stopnje. Dean mi je prišepnil, da je kalibracija potrebna vsakič, saj je magnetno polje zelo odvisno od okoljskih pogojev, zlasti drugih elektronskih in magnetnih naprav. Presenetilo me je, da se celota kljub skrivnostnim tehnološkim temeljem nič kaj dosti ne pregreva. V notranjosti je vgrajen manjši ventilator za hlajenje jedra, a ven piha zrak, ki je manj topel kot tisti iz mojega prenosnika, ko poganjam programe za okolje Windows. Zanimivo, temperatura nič kaj opazno ne naraste niti tedaj, ko jedro opravlja kvantne izračune.

Nekatere rezultate lahko upodobimo tudi v grafični obliki.

Dean mi je veselo pokazal tudi list, kjer proizvajalec navaja značilnosti konkretnega računalnika, kajti vsakega sestavijo in umerijo posebej. Pozabite na množično proizvodnjo. Tu je vsak sestavljen in kalibriran ročno. Tega je pregledal Yayang Chen, računalnik pa dosega 95-odstotno zanesljivost rezultatov pri operacijah z enim kubitom in 80¬–95 pri tistih z dvema. Kompleksnejši algoritmi (problemi), kot sta Deutsch in Grover, dosegajo 90-odstotno zanesljivost, včasih tudi več.

Princip delovanja

Iz tehničnih navodil sem izvedel tudi, da je v jedru posebna spojina, dimetilfosfit (dimethyl phospihite), zraven piše 1,2 ppm. Evo, pa imate tehnične karakteristike kvantnega računalnika. Kaj si lahko pomagamo z njimi? Bore malo ali nič.

Sledi poskus razlage delovanja tega računalnika, kar mi iz glave še ne gre najbolje, zato bom razlago malce »preplonkal« od drugod, v prvi vrsti od kolega Mateja Huša (Kvanti v žepu, Monitor, september 2021). Priznam, raje tako, kot da se osmešim.

Kot pravi Matej, 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 lahko rečemo, 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.

Kvantni računalniki se med sabo zelo razlikujejo, predvsem po načinu, kako so fizikalno izvedeni kubiti. SpinQ se je tu odločil za uporabo tehnologij NMR (nuclear magnetic resonance), spektrometer, ki s permanentnimi magneti ustvari magnetno polje za varovanje kubitov. Vsak šum namreč skrajša uporabni čas za izračunavanje, s tem pa upada tudi zanesljivost rezultata. Naš 'testni' računalnik lahko zagotovi omenjeno zanesljivost v času delovanja do 20 ms. Večji in bistveno dražji računalniki dosegajo lahko tudi precej daljše čase z zadostno zanesljivostjo.

Zamisel podjetja SpinQ je ta, da v jedru ujame posebej izbrane molekule v močno magnetno polje in jih nato 'krmili' z radiofrekvenčnimi impulzi, da manipulira vrtenje atomskih jeder (spin). Po vsakem nizu radijskih impulzov se atomi sprostijo in oddajajo lastne radiofrekvenčne signale, ki razkrivajo njihovo novo stanje. Na ta način je mogoče obrniti vrtenje atomskih jeder, kar je nekakšen pomenski ekvivalent spremembi stanja (0 v 1 in obratno) v digitalnih računalnikih, in povzročiti interakcijo vrtljajev sosednjih atomov, kar lahko simulira matematične operacije in na koncu zabeleži rezultat.

Spojina v središču jedra SpinQ je dimetilfosfit, tetraedrska molekula, sestavljena iz enega atoma fosforja, enega atoma vodika, kisika in dveh skupin O-CH3. Pri sobni temperaturi ima obliko brezbarvne tekočine. Dimetilfosfit je idealen, ker so atomi fosforja in vodika povezani drug z drugim in dovolj blizu, da medsebojno delujejo, hkrati pa jih je mogoče manipulirati neodvisno.

Za zagotovitev pogojev, da so radijski signali vodikovih in fosforjevih atomov dovolj močni, da jih ujamejo, je treba uporabiti ogromno molekul, približno 10^15. Za to je potrebnih nekaj kapljic tekočine, ki se nahajajo v majhni viali sredi močnega magnetnega polja. Tehnika je dobro znana in se že dolgo uporablja za izdelavo medicinskih slik telesa. Dejansko so prvi kvantni računalniki, izdelani v 90. letih prejšnjega stoletja, uporabljali popolnoma enak pristop kot SpinQ.

IBM predstavlja najzmogljivejši kvantni računalnik doslej

V začetku novembra je IBM predstavil najnovejši kvanti računalnik Osprey, ki premore kar 433 kubitov. Za primerjavo, to je trikrat več kot njihov dosedanji najzmogljivejši kvantni računalnik z imenom Eagle. Osprey je s tem postal kvantni računalnik z največjim številom kubitov doslej, domnevno tudi najzmogljivejši, čeprav neposredna primerjava tovrstnih sistemov ni najprimernejša.

Razvoj zmogljivosti kvantnih računalnikov hitro napreduje.

Zanimivo, da je Osprey za IBM le vmesna točka, saj za konec leta 2023 že napovedujejo kvantni računalnik Condor, ki bo prvič presegel mejo tisoč kubitov, vseboval naj bi jih kar 1.121. Vzporedno s temi novostmi IBM razvija tudi modularno kvantno platformo z delovnim imenom System Two, ki bo lahko uporabljala več kvantnih procesorjev v istem sistemu.

Pomemben del tega razvoja je tudi nastanek nove komunikacijske tehnologije, ki bo omogočala nekakšno hibridno okolje med kvantnimi in klasičnimi računalniki. Cilj te programske opreme je sposobnost uporabe kvantnih računalnikov v klasičnih delovnih in računskih postopkih, pa čeprav le za tiste dele, kjer pride zmogljivost kvantnih računalnikov do izraza.

Dolgoročni cilj družbe IBM je seveda ta, da bi z vlaganjem v kvantne računalnike razvili rešitve za komercialno rabo. Že danes svoje obstoječe kvantne računalnike ponujajo kot storitve v oblaku. Zaradi specifičnega načina rabe so za zdaj zanimivi predvsem za akademske potrebe, a se strokovnjaki družbe IBM zelo trudijo, da bi uporabnost razširili tudi na širšo rabo.

IBM Osprey je najzmogljivejši kvantni računalnik ta hip.

IBM je že napovedal, da bodo nekje do leta 2025 razvili tehnologijo, kjer bodo lahko kvantne računalnike uporabljali v problemih s področja strojnega učenja in umetne inteligence, kar bi znalo močno povečati interes za tovrstno tehnologijo. Med ostalimi cilji je tudi ta, da bi do leta 2025 imeli nared kvantni računalnik z okoli 4.000 kubiti in s še večjo zanesljivostjo izračunov, kot to velja za dosedanje sisteme.

Kvantne računalnike za zdaj usmerjajo na tri področja rabe: simulacije naravnih procesov (na primer v kemiji), reševanje problemov s podatkovnimi strukturami, kamor sodijo optimizacije in strojno učenje, ter reševanje matematičnih teoretičnih problemov. Ko bo na voljo ustrezna programska oprema, nameravajo pri družbi IBM storitve tovrstnih sistemov ponuditi kot plačljive oblačne storitve na zahtevo.

Upravljanje računalnika

Kot že rečeno, kvantni računalnik upravljamo s programsko opremo na tabličnem računalniku. Proizvajalec je vanjo vgradil 18 različnih primerov, med njimi delovanje algoritmov Deutsch in Grover. Večinoma gre za reševanje matematičnih algoritmov, zato poznavanje te materije ni le poljubno, temveč obvezno.

SpinQ je naredil poseben grafični vmesnik, s katerim krmilimo omenjena vrata računalnika in s tem izvajamo matematične operacije (na primer XOR ...). Število korakov je omejeno, Gemini Mini pa vsebuje le dva kubita. Ker gre za računalnik, ki je namenjen zlasti izobraževanju, so avtorji vanj vgradili tudi simulator, s katerim lahko simuliramo algoritme s tja do osmimi kubiti. Seveda so ti rezultati 'simulirani', ne pa realni. Tisti z dvema kubitoma pa so resnični, a zunaj akademskega okolja bolj ali manj neuporabni.

Ko smo izbrali algoritem in povezali matematične operacije, lahko uporabimo vhodne podatke v obliki matematičnih matrik. Pozabite na klasično pojmovanje vhodnih podatkov, saj brez globokega znanja računanja matrik ne boste mogli niti definirati problema, kaj šele razbrati rezultate.

Pozabiti moramo tudi na običajno proceduralno razmišljanje o delovanju programov, kot so klasične zanke za ponavljanje vrstic kode, ki so temelj vseh programov. Ponavljanje v primeru kvantnih računalnikov je zelo nezaželeno, saj vsaka operacija in vsaka iteracija zmanjšujeta zanesljivost rezultatov in nas s tem oddaljujeta od želenega cilja. Algoritem mora biti sestavljen tako, da vsebuje čim manj (po možnosti nič) ponavljanj, kar je sila težavna miselna vaja. Če pa že prihaja do ponavljanj, ne govorimo o klasični zanki (For … Next), ampak o dobesedni ponovitvi zaporedja operacij. To zagotovo velja za tehnologijo NMR, dopuščamo pa, da druge kvantne arhitekture dovoljujejo tudi bolj konvencionalne zanke.

Ko smo vse skupaj pripravili, lahko poženemo izračunavanje, ki skupaj z inicializacijo traja okoli 25 sekund. Ne glede na algoritem časovno izračunavanje traja vedno približno enako dolgo. V resnici sam 'izračun' traja le nekaj milisekund, vse ostalo je porabljeno za inicializacijo preizkusa, prenos končnih rezultatov in vizualizacijo na zaslonu. Če bi naš kvantni računalnik imel večje število kubitov (recimo 50 ali več), bi v nekaj sekundah ali minutah preračunal to, za kar bi klasični računalniki porabili več ur, celo dni, ob pravšnji kompleksnosti algoritmov pa tudi bistveno več od tega.

V kvantnem računalništvu namreč lahko do rezultatov v nekaterih primerih pridemo celo eksponentno hitreje kot pri konvencionalnih računalnikih. Več kot imamo na voljo kubitov, večji je faktor pohitritve. V realnosti eksponentna pohitritev velja samo za nekatere algoritme. Danes menimo, da v večini primerov najbrž lahko računamo na nekoliko skromnejše, a še vedno občutne prihranke v času. Če s klasičnimi računalniki rabimo N časa, lahko s kvantnimi problem rešimo v času kvadratnega ali tretjega korena N. Seveda ob predpostavki, da imamo takega z večjim številom kubitov.

Rezultati so za razumevanje prikazani v matematični obliki, v nekaterih primerih pa tudi grafični. Najzanimivejši je prikaz rezultata, ki ga izrazimo z enim kubitom, in sicer kot točke na površini sfere (Blochova sfera), za katero velja največja zanesljivost rezultata. Vse ostale si lahko predstavljamo kot množico točk med 1 in 0 (povsem zanesljivo ali povsem nezanesljivo), ki so razporejene drugod po sferi in obema poloma, ki predstavljata logično ničlo oziroma enico. Stvari se zakomplicirajo, ko želimo prikazati rezultate, izražene z več kot enim kubitom, ampak to je že tema za drug članek.

Problemi, ki jih lahko rešujemo s kvantnim računalnikom

SpinQ Gemini Mini omogoča, da lahko prek grafičnega vmesnika sestavimo tudi lastne algoritme in s tem reševanje kompleksnih problemov. Toda v našem primeru je omejitev ta, da imamo na voljo le dva kubita, s katerima smo silno omejeni pri tem, kaj lahko naredimo.

Dean pravi, da v kratkem času, kolikor ga je imel na voljo za delo z računalnikom, sploh še ni prišel do ideje, kakšen algoritem bi si sam zamislil in ga preizkusil. Vsekakor bo potrebnega še kar nekaj preučevanja, da bo prišel do prišel do relevantnega lastnega preizkusa, ki ne temelji na demo primerih v krmilnem računalniku.

Ker SpinQ Gemini Mini nima vmesnikov za povezavo z zunanjim svetom, lahko pozabimo na možnost, da bi z njim krmilili algoritme z realnim naborom podatkov, na primer s šifriranimi podatki, pri katerih želimo razkriti algoritem šifriranja.

Prav primer dešifriranja šifer je najpogostejši pri opisovanju tipov problemov, pri katerih kvantno računalništvo lahko bistveno pomaga. Zaradi hkratnega izračunavanja več inačic problema naj bi kvantni računalniki šifre razbili tako rekoč hipno, morda v nekaj sekundah, kar bi sicer zahtevalo dneve, mesece ali leta klasičnega procesorskega preračunavanja možnosti. Drugače povedano, s kvantnimi računalniki naj bi šifre razbili hipoma, s tem pa bi lahko pod vprašaj postavili vse sodobne sisteme za šifriranje podatkov in varnost. Strašljiva misel, ni kaj.

Kaj od tega je za zdaj teorija in kaj je bilo dejansko že narejeno, ostaja javna skrivnost ter tudi predmet različnih teorij zarote. Kar nekaj virov navaja, da so v številnih državah po uspešno teoretično dokazanih pravilnostih delovanja kvantnih računalnikov nekatere od najbolj skrbno varovanih klasičnih računalniških sistemov trajno odklopili z interneta.

Nihče ne ve, kdaj bo nasprotnik poskušal vdreti vanje ob pomoči računske zmogljivosti kvantnih računalnikov. Po drugi strani pa ni še nobenega dokaza, da je kdorkoli že uspešno uporabil to metodo za vdor v kak sistem. Obstajajo le številne domneve, seveda brez dokazov. Resnice morda ne bomo nikoli izvedeli.

Kvantni računalnik v Sloveniji

S kvantnimi računalniki seveda lahko rešujemo tudi druge kompleksne probleme, na primer na področju genetike, pri preizkušanju novih zdravil in simulacijah delovanja sistemov. Problem je ta, da bomo za njihovo prilagoditev kvantnim računalnikom potrebovali povsem nova znanja, ki jih trenutno izdatno primanjkuje. V nekem članku iz lanskega leta sem prebral, da je na svetu le okoli tisoč strokovnjakov, ki so dovolj kvalificirani za pripravo tovrstnih algoritmov.

Glavni meni in funkcionalnosti kvantnega računalnika.

To je tudi osnovna ideja, ki je Aljošo Žerjala popeljala do tega, da je pridobil nekaj manj kot 10.000 evrov za nakup prvega kvantnega računalnika v Sloveniji. Tako kot v 80. letih, ko je v Koper pripeljal prvi osebni računalnik (TRS-80) in kmalu za tem tudi prve osebne računalnike PC v celotni tedanji Jugoslaviji (!), zdaj spet prestopa meje znanega.

Aljoša pravi, da za kvantni računalnik še nima natančno določenih ciljev. Sledil bo niz predstavitev, kratkoročni cilj pa je predvsem spoznavanje delovanja. Verjetno bo služil bo tudi za izobraževanje javnosti, tako strokovne do neke mere pa tudi širše.

Treba je povedati, da kljub obetavni teoretični podlagi ni nobenega zagotovila, da se bodo kvantni računalniki v prihodnosti množično uporabljali. Zelo verjetno bodo pokrivali le niše, kjer lahko njihove prednosti uporabimo z ustreznimi algoritmi, toda to so le predvidevanja na podlagi današnje stopnje poznavanja tega področja. Zgodovina nas uči, da se je večina znanstvenih in tehnoloških prebojev v zgodovini zgodila predvsem zaradi vztrajnosti preizkušanja nemogočega kot temelja za širjenje znanja.

Ko se bo nabralo dovolj znanja, bomo morda pripravljeni za naslednji korak. Kdo ve, morda bo to novi kakovostni preboj uporabe tehnologije. Nenazadnje, nekaj takega smo že doživeli pred 35 ali 40 leti, ko so v naše kraje prispeli prvi osebni računalniki. Tedaj v njih ni nihče natančno videl prihodnosti, ki jo živimo danes. Nobenega razloga ni, da se to ne bi ponovilo.