Nedelja, 27. 10. 2019, 20.25
5 let
Kaj Google dela s strojem, o katerem ta teden govorijo vsi
Termometer prikazuje, kako vroč je članek.
Termometer prikaže, kako vroč je članek.
4,51
2
Direktor Googla Sundar Pichai je preizkus kvantnega računalnika Sycamore primerjal s poletom prve rakete v vesolje. Ta sam po sebi ni dosegel ničesar praktičnega, je pa človeštvo z njim vstopilo v vesoljsko dobo.
Tehnološka zgodba iztekajočega se tedna je brez dvoma Googlova novica, da so dosegli tako imenovano kvantno nadvlado oziroma da so problem, za katerega bi trenutno najzmogljivejši superračunalnik na svetu potreboval deset tisoč let, z eksperimentalnim kvantnim računalnikom rešili v manj kot treh minutah in pol. Kaj ta tehnološki preboj, ki ga je direktor Googla primerjal s poletom prve rakete v vesolje, navdušil pa je tudi slovenske računalniške strokovnjake, sploh pomeni?
Kaj je kvantni računalnik oziroma kako je kvantni računalnik drugačen od "navadnega"?
Da bi lažje razumeli potencial, ki ga prinaša kvantno računalništvo, je treba najprej razumeti, kako deluje klasičen računalnik oziroma kako deluje klasičen mikroprocesor, komponenta, ki v sodobnem računalniku opravlja računske operacije. Hitrejši ko je procesor, hitreje (praviloma) deluje računalnik.
Takole je videti povprečen računalniški mikroprocesor.
Najmanjša enota, v kateri je zapisana informacija, ki jo na najbolj temeljni ravni razume mikroprocesor, je bit. Bit lahko zavzema dve stanji – lahko je 0 ali 1. Stanje enega bita določa binarni tranzistor, majceno električno stikalo. Več ko ima mikroprocesor tranzistorjev, hitreje lahko opravlja računske operacije.
Število tranzistorjev v računalniških mikroprocesorjih danes merimo v milijardah. Tranzistorji so namreč manjši skoraj z vsako generacijo procesorjev. Sedem nanometrov, kolikor merijo tranzistorji v najnovejših procesorjih, je tisočkrat manj od premera rdeče krvne celice, na primer. To pomeni, da je velikost sodobnega tranzistorja bližje atomom, ki počez povprečno merijo od 0,1 do 0,5 nanometra. Atomi predstavljajo tudi fizično mejo velikosti, na katero še lahko zmanjšamo tranzistor.
Superračunalniški centri težavo z dejstvom, da je najnižja mogoča velikost tranzistorja omejena, rešujejo z dodajanjem novih procesorjev. Najhitrejši superračunalniki na svetu jih imajo več milijonov.
Dejstvo, da se tranzistorji ne bodo mogli krčiti v nedogled, je dolgoročno težava klasičnega mikroprocesorja, saj ga bo binarno zapisovanje informacij, torej shranjevanje ene informacije v en bit, vedno omejevalo.
Kaj pa če bi lahko v en bit shranili več informacij? To je mogoče, če temelj delovanja računalnika namesto logike pretikanja tranzistorjev med ničlami in enicami postane kvantna superpozicija, eden od najpomembnejših principov zapletene veje fizike, ki mu pravimo kvantna mehanika.
Ena najbolj znanih ponazoritev kvantne superpozicije je miselni eksperiment Schrödingerjeva mačka, ki je poimenovan po avstrijskem fiziku Erwinu Schrödingerju. Ta je predlagal (zgolj hipotetično, seveda), da bi mačko skupaj s smrtonosnim virom radioaktivnega sevanja zaprl v škatlo. Mačka bi nato obstajala v kvantni superpoziciji: hkrati bi bila lahko mrtva in živa, saj tega, v katerem stanju je, ne bi zagotovo vedeli, dokler ne bo odprli škatle in pogledali vanjo.
Pri kvantnem računalniku klasični tranzistor za zapis informacije nadomešča tako imenovani kubit ali kvantni bit.
Poglavitna lastnost kubita je, da je lahko zaradi načela kvantne superpozicije v dveh različnih stanjih hkrati. To zelo poenostavljeno pomeni, da lahko v kubitu 0 in 1 obstajata sočasno, dokler ga ne pogledamo, medtem ko je tranzistor v klasičnem računalniku istočasno lahko vedno zgolj 0 ali 1.
Posledica tega principa je, da lahko v kubit namesto ene shranimo dve informaciji, kar pa pomeni, da računska moč kvantnega računalnika z dodajanjem kubitov ne narašča linearno kot pri klasičnem računalniku, temveč eksponentno, saj lahko, če je pravilno sestavljen, računske operacije hkrati izvaja na vseh kubitih.
Ena od komponent Googlovega kvantnega računalnika Sycamore
Kvantni računalnik z nekaj sto kubiti bi, kar zadeva golo računsko moč, današnje najzmogljivejše superračunalnike zaradi tega moral pustiti daleč zadaj, kajne? Prav z nečim zelo podobnim se je ta teden pohvalil Google, toda to še ne pomeni, da bodo kvantni računalniki kmalu postali del našega vsakdana.
Kaj je uspelo Googlovemu kvantnemu računalniku?
Googlov kvantni računalnik Sycamore s 54 kubiti, od tega jih je pravilno delovalo 53, je z izbranim računskim problemom, ki bi ga trenutno najhitrejši superračunalnik na svetu reševal deset tisoč let, opravil v treh minutah in dvajsetih sekundah, so se ta teden s študijo, ki je bila objavljena v priznani znanstveni publikaciji Nature, pohvalili Googlovi računalniški inženirji.
To je večslojna komora, v kateri je zaprt Googlov kvantni računalnik Sycamore. Temperatura se niža z vsakim slojem in v sredici nazadnje doseže pičlih 15 milikelvinov, kar je praktično že absolutna ničla (0 kelvinov oziroma minus 273,315 stopinje Celzija), najnižja mogoča temperatura. Tako mrzlo kot v komori računalnika Sycamore ni najverjetneje nikjer drugje v vesolju.
Google pravi, da je Sycamore s tem dosegel tako imenovano kvantno nadvlado, torej absolutno premoč kvantnega računalnika nad klasičnim, ki bi za rešitev istega problema po ugotovitvi Googla potreboval nerealno veliko časa.
Samohvalo Googla je poskusil nekoliko omiliti eden njegovih največjih tekmecev na področju razvoja kvantnega računalnika, podjetje IBM, s katerega superračunalnikom Summit je Google sicer tudi primerjal 54-kubitni Sycamore. IBM trdi, da Google ni dosegel prave kvantne premoči, ker naj ne bi upošteval vseh dejavnikov, in da bi Sycamore računski problem lahko rešil v dveh dneh in pol, ne pa šele v deset tisoč letih.
Pri Googlu se niso pustili motiti in so se raje posvetili aplavzu, ki so ga bili za dosežek računalnika Sycamore deležni iz tako rekoč vseh delov sveta, tudi v Sloveniji.
Osrednji mikročip Googlovega kvantnega računalnika Sycamore je precej podoben računalniškim procesorjem, kot jih poznamo danes.
Prof. dr. Borut Robič, predstojnik Katedre za teoretično računalništvo na Fakulteti za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani, je za Siol.net povedal, da je pospešitev, ki jo je dosegel računalnik Sycamore, impresivna in razveseljujoča, saj kaže na uspehe pri razvoju stvarnega kvantnega računalnika.
"Googlov dosežek je videti kot uspeh, ki močno spodbuja raziskave na področju kvantnega računanja. Realno moč Sycamora ali rešitev, ki so bile uporabljene pri njegovi gradnji, pa bodo pokazali nadaljnji preizkusi pri reševanju še drugih problemov," je Robič opozoril, da je bil računski problem, ki ga je reševal Googlov računalnik, izbran posebej zanj.
Ali to pomeni, da bomo kmalu vsi uporabljali kvantne računalnike?
Tako preprosto ni, saj so kvantni računalniki namenjeni predvsem razvozlavanju vozlov, ki so bili zavozlani posebej zanje, in sicer tako imenovanih kvantnih algoritmov (ti omogočajo rešitev določenega računskega problema v manj korakih kot pri klasičnih računalnikih), pogrnejo pa pri opravilih, s katerimi navaden računalnik opravi v sekundi.
Razvoj kvantnih računalnikov je intenziven, a zaradi številnih ovir tudi zelo zahteven. Borut Robič je med drugim izpostavil tako imenovano kvantno dekoherenco oziroma vpliv okolice na obstojnost podatkov v kvantnem računalniku. Kvantne procese lahko namreč zmoti že najmanjši dejavnik, zaradi česar morajo delovati v posebej prilagojenem okolju, ki je ohlajeno na temperaturo blizu absolutne ničle.
Koliko je ena plus ena, bo verjetno vedno bolj praktično vprašati klasičen kot pa kvantni računalnik. Tega bomo raje uporabljali za reševanje problemov, katerih narava omogoča hkratno, vzporedno iskanje rešitev, pojasnjuje Robič.
Kakšnih problemov? Kvantno računalništvo lahko z ustreznimi algoritmi ponudi konkreten pospešek na področjih kriptografije, torej šifriranja podatkov, saj ima potencial za generiranje resničnih naključnih zaporedij števil, spletnega iskanja, strojnega učenja in umetne inteligence, stiskanja (kompresije) podatkov, razvoja novih zdravil.
Kot je za Siol.net še povedal Borut Robič, je nedavni dosežek Googlovega računalnika Sycamore predvsem še bolj odprl fronto razvoja kvantnih računalnikov. Na tej ob Googlu in IBM sicer najdemo še številne druge svetovne tehnološke in gospodarske velikane, med drugim Intel, Baidu, Hewlett-Packard, Alibaba in Lockheed Martin.
Preberite tudi:
2