Sobota, 11. 6. 2016, 18.48
7 let, 1 mesec
Računalnik, ki ga še nihče ne zna narediti prav, a bo spremenil svet
Termometer prikazuje, kako vroč je članek.
Termometer prikaže, kako vroč je članek.
3,08
Ob umetni inteligenci se kot naslednji veliki preboj računalniške znanosti že več kot desetletje omenja razvoj kvantnega računalnika. Kaj to je in zakaj bo pomemben za prihodnost človeštva?
Kako deluje klasični sodobni računalnik
Da bi lažje razumeli potencial, ki ga prinaša kvantno računalništvo, je treba najprej razumeti, kako deluje klasičen računalnik, oziroma natančneje, kako deluje klasičen mikroprocesor. To je namreč komponenta, ki v sodobnem računalniku opravlja računske operacije in žonglira z informacijami. Hitrejši ko je procesor, hitreje (praviloma) deluje računalnik.
Ključna beseda je bit. To je najmanjša enota, v kateri je zapisana informacija, ki jo razume mikroprocesor. Bit lahko zavzema dve stanji – lahko je 0 ali 1. Stanje enega bita določa binarni tranzistor, majceno električno stikalo, ki preklaplja med 0 oziroma 1.
Več ko ima mikroprocesor tranzistorjev, hitreje lahko opravlja računske operacije.
Današnji komercialni rekord v številu tranzistorjev si lasti proizvajalec čipov Intel, njegov procesor za strežnike Xeon z 22 jedri ima več kot sedem milijard. Prvi Intelov procesor jih je imel leta 1971 le nekaj več kot dva tisoč.
Kako so si zamislili kvantni računalnik
Težava klasičnega mikroprocesorja je, da ga bo binarno zapisovanje informacij vedno omejevalo. V en bit bo namreč vedno lahko shranil le eno informacijo. Kaj pa, če bi jih lahko več?
Tu nastopi kvantna mehanika, zapletena veja fizike, ki je ni dodobra razumel niti Albert Einstein. Kvantni mikroprocesor temelji na pojavu, ki mu v kvantni mehaniki pravijo kvantna superpozicija.
Fenomen kvantne superpozicije pravi, da je lahko elementarni delec, kot je elektron, v več različnih stanjih hkrati.
Kako se to prevaja v delovanje računalnika? Pri kvantnem mikroprocesorju je informacija zapisana v kvantni bit oziroma kubit. Ta je lahko v stanju 0 ali 1, lahko pa tudi 0 in 1. To pomeni, da lahko v en kubit shranimo dve informaciji. Če imamo dva kubita, štiri. V tri kubite jih lahko shranimo osem in tako naprej.
Računska moč z dodajanjem kubitov pri kvantnem mikroprocesorju torej narašča eksponentno in ne linearno kot pri klasičnem procesorju. Če bi kvantni mikroprocesor zgradili iz tisoč kubitov in znali izkoristiti njihov potencial, bi lahko bil hkrati v 10 na 300. potenco stanjih. Vseh atomov v vesolju je 10 na 80. potenco, na primer.
Kvantni računalnik, ki bi deloval, kot si ga že desetletja zamišljajo in o njem sanjajo fiziki in računalničarji, bi lahko hkrati obdeloval eksponentno več podatkov, kot jih je v celotnem vesolju.
Kaj lahko počnemo s kvantnim računalnikom
Na katerih področjih nam lahko pomaga enormna računska moč kvantnega računalništva? V podjetju D-Wave, ki vodi v svetovnem razvoju kvantnih računalnikov, navajajo:
- optimizacijo procesov,
- iskanje vesoljcev,
- učinkovitejše zdravljenje smrtonosnih bolezni,
- razvoj zdravil,
- šifriranje in dešifriranje,
- strojno učenje in razvoj umetne inteligence,
- nove algoritme za stiskanje videa,
- napovedovanje prihodnosti.
V D-Wave so prepričani tudi, da lahko kvantni računalnik bistveno zmanjša energetske potrebe opravljanja obširnih računalniških izračunov. "Nekateri največji podatkovni centri na svetu so zgrajeni ob hidroelektrarnah, ker potrebujejo tako veliko elektrike," navajajo v D-Wave.
Če vemo, kako delujejo, zakaj kvantni računalniki že niso del vsakdana?
Zato, ker je težko pravilno sklepati, kaj se dogaja na kvantni ravni. Ko je podjetje D-Wave leta 2007 zgradilo in preizkusilo svoj prvi kvantni računalnik s 16 kubiti, rezultati niso bili obetavni. V visokotehnološko skupnost se je takrat naselila skepsa, ali bodo kvantni računalniki sploh kdaj uporabni v praksi.
Težava je v tem, da kvantni računalniki s trenutnim znanjem njihovih razvijalcev potrebujejo poseben algoritem, ki jih usmerja na poti do najhitrejšega iskanja najučinkovitejše rešitve za dani računalniški problem.
Zaradi tega so danes zelo učinkoviti samo pri razvozlavanju vozlov, ki so bili zavozlani posebej zanje, pogrnejo pa pri vsakdanjih operacijah, ki jih v sekundi ali dveh razreši vsak pametni telefon ali osebni računalnik.
Od družbe D-Wave je za več kot deset milijonov evrov svoj kvantni računalnik kupilo že kar nekaj velikih podjetij, med drugim internetni velikan Google, vesoljska agencija Nasa in proizvajalec letal Lockheed Martin.
Izziv za peščico uporabnikov kvantnih računalnikov je torej, da ustvarijo algoritem, s katerim bodo lahko izračunali nekaj praktičnega. Poiskali rešitev na enem od zgoraj omenjenih področij, na primer.
Stanje na področju kvantnega računalništva trenutno obeta več kot leta 2007. Google je decembra lani izvedel preizkus, pri katerem je kvantni računalnik D-Wave 2X s tisoč kubiti nalogo rešil stomilijonkrat hitreje od klasičnega potrošniškega procesorja z nekaj sto milijoni tranzistorjev. Že res, da je bil problem znova napisan posebej zanj, a kvantni računalnik je bil še vedno precej urnejši kot pri podobnem testu leta 2013, ko je problem rešil le 3.600-krat hitreje od klasičnega računalnika.
