Novi pravci razvoja računarskih sistema – KVANTNI RAČUNARI

Koncept kvantnog kompjutinga počiva na postulatima kvantne mehanike i njenim specifičnim fizičkim pojavama kao što su kvantno povezivanje superpozicija i tuneling efekat. Osnove za rad ovih sistema daje kvantna teorija verovatnoće, dok fizička realizacija podrazumeva primenu kompleksnih metalnih legura koje ohlađene na ekstremno niskim temperaturama postižu efekat superprovodljivosti.

D-Wave 2 čip

Ova pobuđena jezgra u kontrolisanom okruženju predstavljaju q-bit. Jedan q-bit može biti u više od jednog stanja, a pobuda dva q-bita može dovesti do trenutne teleportacije novog stanja na oba pobuđena q-bita. Ove i slične osobine mogu dovesti do eksponencijalnog povećanja brzine i performansi kvantne obrade, dok sami računari predstavljaju specijalni oblik analogno kvantno probabilističke arhitekture. Velike kompanije kao što su IBM, Google, Intel, Microsoft, ali i američke vladine institucije – DARPA, NASA, Lockid Martin, veoma su zainteresovane za razvoj kvantnih računara s obzirom na to da se primenom kvantnog kompjutinga faktorizacija kompleksnih polinoma i matematički zahtevne primene lako i brzo rešavaju.

Posle pojave prvih verzija D-Wave sistema u naučnoj javnosti se javila polemika u vezi sa stepenom njihove prave kvantnosti. Razlog tome je bila činjenica da D-Wave sistem 1 i 2 ne mogu da postignu pravo kvantno povezivanje, pošto ga uspostavljaju tek nad jednim do dva q-bita u trajanju ne dužem od nekoliko mikrosekundi. Da bi zaobišli ovaj problem, sistemi koriste kvantno žarenje koje zahteva temperaturu nižu od 80 mK do radnih 15–20 mK. Interesantno je napomenuti da trenutno D-Wave rešenje sa 512 q-bitnim čipom, prema tvrdnji proizvođača i istraživača, može ravnopravno da se nosi sa aktuelnim masovno paralelizovanim superkompjuterima sa preko 5 petaFLOPS-a.

D-Wave-2 512 Qubit Vesuvius quantum computing

Početkom aprila 2016. godine kompanija IBM je predstavila „The IBM Quantum Experience”. Zahvaljujući ovom Cloud servisu zainteresovani naučnici i pojedinci mogu da pristupe IBM-ovom kvantnom „Q” računaru, koji pokreće čip od 5 q-bita.

Računar je smešten u IBM istraživačkom centru u Njujorku, a korisnicima je, pored online pristupa, obezbeđen i komplet za razvoj aplikativnih rešenja sa korisničkim interfejsom (https://www.research.ibm.com/ibm-q/). Time se korisnicima pruža mogućnost razvoja i pokretanja eksperimentalnih programa na pravom kvantnom računaru. Pojedinci mogu pristupati kvantnom procesoru proizvoljno adresirajući pojedinačne ili skupove raspoloživih q-bita, a takođe mogu koristiti i već razvijena aplikativna rešenja i primere radi upoznavanja sa arhitekturom i načinima rada sa sistemom. Slično D-Wave rešenjima, i IBM kvantni računar se za potrebe rada mora držati u strogo kontrolisanim uslovima i na temperaturi manjoj od 0,3 K, tj. ispod -273°C. Do velikog pomaka na ovom polju došlo je 2012. godine kada je IBM postigao zadržavanje stanja kvantne povezanosti između q-bita duže od 100 mikrosekundi. To je pokrenulo i druge kompanije tako da je krajem 2017. godine IBM najavio komercijalnu dostupnost svog 20 q-bitnog superkompjutera, a u martu 2018. godine Google je testirao svoje rešenje kvantnog računara sa 72 q-bita. Google razvojni tim se nada da će upotrebom većeg kvantnog čipa uspeti da ostvari nadmoć nad konkurentskim rešenjima kompanija IBM i Intel.

Razvojni timovi i ostalih kompanija se nadaju da će upotrebom većih kvantnih čipova koji su u stanju da ostvare poboljšane performanse održavanja kvantnih efekata biti u stanju da obavljaju obrade koje su do sada bile skoro nemoguće primenom klasične kompjuterske arhitekture.

Na softverskom polju Microsoft je predstavio MQDK (Microsoft Quantum Development Kit), koji uključuje novi programski jezik Q#, čiji je fokus primena kvantnih računara. On se integriše u Visual Studio i VS Code razvojna okruženja, a interoperabilan je sa Pythonom. U paketu stiže i simulator kvantnog računara sa pratećim alatima. Važno je pomenuti i rad Google Quantum AI laboratorije jer se u dogledno vreme može očekivati da se, osim rezultata istraživanja, pojave i javno dostupni setovi razvojnih alata. S obzirom na to da su razvojna okruženja IBM, Microsoft i Intel i odgovarajuće hardverske platforme za rad sa kvantnim računarima spremni i dostupni širem krugu zainteresovanih istraživača i potencijalnih korisnika, možemo reći da je era kvantnih računara uveliko počela.