Bug Online

Ovih dana svi spominju kanadskog premijera Justina Trudeaua i njegov odgovor na pitanja novinara o kvantnom računalu. Nije ni čudo da je pokazao znanje u takvoj situacija s obzirom da je jedina tvrtka na svijetu koja proizvodi kvantna računala - baš iz Kanade! D-Wave je jedino komercijalno dostupno takvo računalo. O D-Waveu smo nekoliko puta pisali, pa ćemo još jednom ponoviti neke informacije za one koje ta tematika zanima ili žele ispasti face poput gospodina Trudeau ukoliko se nađu u situaciji u kojoj netko s njima želi popričati o kvantnim računalima.

D-Wave se pokušao svojedobno proslaviti rješavanjem NP teških problema protiv klasičnog računala opremljenog sa sedam četverojezgrenih Xeona. Rezultat je, kako smo pisali još 2014., bio dvojak.

U slučajevima gdje je broj kubita koje je na raspolaganju imalo D-Wave računalo (ovisno o instaliranim kvantnim procesorima V5 ili V6 sa 439 odnosno 503 funkcionalna kubita) bio veći ili odgovarao broju rješenja za QUBO (quadratic unconstrained binary optimization) problem, ovo računalo je bilo 3.600 (procesor V5), odnosno čak 10.000 puta brže (procesor V6) od klasičnog računala "oboružanog" Xeonima.

U slučajevima gdje je broj rješenja bio veći od broja dostupnih kubita, klasično računalo bilo je do pet puta brže.

Treba imati na umu da je kao sučelje prema kvantnom D-Waveovom računalu služilo klasično, četveroprocesorsko računalo s ukupno 16 Xeonovih jezgri, koje je zapravo priređivalo podatke u oblik prikladan za obradu u D-Waveovom procesoru, bilo kojem od dva na raspolaganju, tako da se radi zapravo o združenoj pobjedi kvantnog i klasičnog računala protiv jednog klasičnog računala.

Iz svega je postalo jasno da ovo računalo snagu pokazuje samo u problemima koji su pravljeni baš za njega, odnosno da je dio njegova "šarma" traženje njemu odgovarajućih problema, što je ujedno i mana. Naime, na obična, odnosno klasična računala, bacamo sve probleme bilo koje vrste koji se mogu pretvoriti u algoritme i programe, a D-Wave je voćka čudnovata, ili bolje rečeno izbirljiva, koja dobro radi samo s problemima pravljenim po vlastitoj mjeri. Što će nam takvo računalo?

Schroedingerovska sumnja
Da stvari budu gore, nisu svi bili sigurni da je D-Wave uopće kvantno računalo, odnosno da uopće barata kubitima. I prije gore opisanog okršaja s klasičnim računalom mnogi su fizičari dokazivali kako ne postoji nikakav dokaz da je proces koji u D-Waveu (tvrtki, ne računalu...) zovu "quantum annealing", a koji smo mi preveli kao kvantno stapanje (uz ponovnu napomenu kako smo svjesni da se kod nas u metalurgiji termin annealing prevodi kao "žarenje") – uopće kvantni proces.

Naime, kao što znaju oni koji prate područje kvantnog računalstva, svi drugi timovi koji rade na njemu mogu se "pohvaliti" u najboljem slučaju s nekoliko funkcionalnih probnih kubita u svojim kvantnim procesima koji obično imaju izuzetno kratak vijek trajanja prije nego dođe do kvantne dekoherencije i prije nego šum izvana naruši kvantno stanje kubita.

Ekipa iz D-Wave prišla je problemu iz posve drugog kuta i umjesto kvantnih logičkih vrata koja oponašaju logička vrata u klasičnim procesorima, odlučili su se za izbacivanje ovoga pristupa za koji smatraju da je inherentno nespojiv s praktičnim kvantnim računalstvom.

Umjesto toga njihov proces kvantnog stapanja/žarenja/obrade ili kako ga već želite zvati (quantum annealing) koristi skup međusobno ovisnih bitova koji se hlađenjem spuštaju na najnižu energetsku razinu. Naime, D-Waveov procesor je ohlađen na temperaturu blisku apsolutnoj nuli kako šum iz okoline ne bi utjecao na kvantno stanje kubita. Nakon spuštanja energetskog stanja kubita, energija sustava se polako podiže dok se ne dobije rješenje izračuna. Ako se ovaj proces provodi postupno, sustav ostaje u stacionarnom stanju tijekom cijelog procesa. Kad je proces dovršen, čitanje stanja kubita, koji su sada u novom stacionarnom stanju, daje optimalno rješenje problema.

Dakle, u teoriji "zažareni" kubiti su u superpoziciji, i dok ih ne očitamo, ne dolazi do kvantne dekoherencije.

Ovo objašnjenje mnogi znanstvenici nisu prihvatili, i u razdoblju od svega nekoliko mjeseci nakon ove "pokazne vježbe" pojavila se nekolicina stručnih radova koja tvrdi kako nikakva kvantnog procesa u D-Waveovom računalu zapravo nema i kako i u praksi i u teoriji D-Wave nema ikakav dokaz da se radi o kvantnom računalu, već o jednostavnom očitavanju bitova, a ne kubita, u namjenskom procesoru kojega opslužuje klasično računalo.

Čini se da ni sami tvorci računala pod svim ovim kritikama nisu bili posve sigurni je li ono kvantne naravi, pa je tako D-Wave mijenjao naziv za njega od "kvantnog računala", preko "adijabatskog kvantnog računala" do "kvantnog optimizatora", a ovaj posljednji termin očito je signalizirao "krvožednoj" kritičarskoj masi nesigurnost, što ih je samo dodatno razjarilo. Dakle, D-Wave (računalo) bilo je, baš kako se kvantno i pristoji u schroedingerovskom smislu i kvantno računalo i nekvantno računalo. To jest – do finalnog testa prije dvije godine.

Kvantno spregnuti kubit – kvantno računalo
Čast D-Wavea obranio je stručni rad objavljen u stručnom časopisu Physical Review X koji nakon poduljeg istraživanja i matematičko-fizikalnih izvoda dokazuje da je D-Wave uistinu kvantno računalo koje radi na kvantnim principima.

Naime, rad tvrdi da kvantno žarenje, odnosno rješavanje problema u D-Waveovom kvantnom procesoru koji barata kubitima neizostavno zahtijeva postojanje kvantnog sprezanja među kubitima kako bi oni bili sinkronizirani. Naime, da bi izračun imao smisla (a usporedba s izračunom napravljenim na klasičnom računalu pokazuje da ima smisla, odnosno da se ne radi tek o nasumično nabacanim rješenjima), kubiti trebaju ostati kvantno spregnuti, kako tijekom spuštanja na najnižu moguću energetsku razinu, tako i tijekom "žarenja", odnosno podizanja energetskog stanja do trenutka kada se vrijednost kubita može očitati.

Osim što je time dokazano postojanje kvantnog sprezanja među kubitima, dokazano je i da se radi o dosad najvećem zabilježenom kvantnom sprezanju kod bilo kojega funkcionalnog ili eksperimentalnog superprovodljivog kvantnog sustava. Ispada da se mantra D-Wavea kako se treba odmaknuti od logičkih vrata kopiranih s klasičnih elektroničkih računala kada se ide na kvantno računalo, pokazala točnom.

Direktor D-Wavea dr. Geordi Rose tako je u jednom intervjuu BBC-u rekao da je model kvantnog računala s logičkim vratima (prekopiranim s klasičnih računala) "... najgori mogući model koji se dogodio kvantnom računalstvu. Kada se za 20 godina osvrnemo na povijest ovoga tipa računalstva, pitat ćemo se zašto smo s time ikada pokušavali".

Zanimljivo je da je – iako D-Wave 2 koristi procesor s 512 kubita – stručni rad koji potvrđuje postojanje kvantne sprege među njima uspio detektirati samo osam (brojkom: 8) kvantno spregnutih. Ovo ne znači da i ostatak od 504 kubita u procesoru nije također međusobno kvantno spregnut, ali tehnika koju su koristili istraživači sa Sveučilišta u južnoj Kaliforniji ne omogućuje (za sada, barem) potvrdu kvantne spregnutosti svih kubita u procesoru.

Iako još neki stručnjaci izražavaju sumnju u to je li kvantno sprezanje prisutno na čitavoj procesorskoj razini ili samo lokalno na grupama kubita, čini se da više nitko, pa ni raniji kritičari, ne dovodi u pitanje kvantnu narav D-Wavea.

Također, praktički svi koji izvana promatraju napore onih koji se bave kvantnim računalstvom na klasičan način (repliciranje logičkih vrata za kvantna računala) ili na D-Waveov način (kvantno žarenje) smatraju da je ovaj posljednji pristup očito bolji jer daje neusporedivo pouzdanije kubite koji svoju superpoziciju zadržavaju do samog trenutka očitavanja, dok logička vrata u kvantnim računalima imaju stalnu tendenciju preranog pretvaranja kubita u najobičnije bitove diskretnih vrijednosti 0 ili 1, čime se gubi smisao kvantnog računalstva.

Međutim...
Problem i dalje ostaje upitna upotrebljivost kvantnog računala za sve osim za "po mjeri" rađene probleme. Tako je, primjerice, stručni tim na Saveznom institutu za tehnologiju u Zürichu (ETH Zürich) ranije je ponovno suprotstavio D-Wave klasičnom stolnom računalu pri izračunu različitih problema. Uprosječeni rezultati daju zaključak da ukupne performanse D-Wavea ne daju nikakvu prednost ovome računalu u odnosu na klasično, daleko jeftinije stolno računalo. Cijena D-Wavea je oko 15 milijuna dolara, što nije mnogo za klasu superračunala, ali je ogromna svota kada se uspoređuje s cijenom stolnog računala protiv kojega se natjecao.

Iz D-Wavea, pak, kažu da su zadaci koje je D-Wave dobio bili daleko prejednostavni za njegove sposobnosti, odnosno "ispod njegovih mogućnosti" te kako za rješavanje takvog tipa problema nikada nije bio ni napravljen niti ga ima smisla pokretati za njihovo rješavanje.

 S druge strane, Google, Lockheed Martin, NASA i neke američke visokoškolske institucije već koriste D-Wave za svoje potrebe – od razvoja umjetne inteligencije u slučaju Googlea, do fizikalnih simulacija u slučaju NASA-e.