Michio Kaku, američki teorijski fizičar i autor knjige Quantum Supremacy ima vrlo optimistični pogled na razvoj kvantnih računala i po njemu će funkcionalno računalo biti nemjerljivo moćnije od današnjih superračunala. Nedavno je tako IBM- predstavio dva nova čipa. Google je, pak, demonstrirao mogućnosti svog kvantnog čipa Willow koji je prema njihovim navodima izračunao u minutama ono za što bi najjačem digitalnom superračunalu trebali kvadrilijuni godina.

Postoji i velik broj skeptika  jer se osnovne prepreke imanentne kvantom računalstvu poput točnosti očitanja i dekoherencije nisu riješile. Najviše je odjeknula nedavna izjava CEO-a Nvidije Jensen Huanga koji je rekao da nas od praktične primjene kvantnih računala dijeli još barem dvadeset godina.

Drugačije, a ne uvijek brže

Ako zamislimo da postoji funkcionalno kvantno računalo, ono može biti nemjerljivo brže i od najmoćnijih trenutačnih superračunala. U rješavanju problema klasično digitalno računalo krenut mora probleme rješavati sekvencijalno ili paralelno, dok kvantno računalo može istodobno izračunavati sva potencijalna rješenja problema.

Neovisno o tome da li su točne IBM-ove prognoze koje kažu da će kvantno računarstvo u narednih pet godina razbiti RSA enkripciju ili CEO-a Nvidije svi već rade na izazovu kvantnog računarstva, jer su potencijalne implikacije vrlo značajne i u političkom i gospodarskom smislu.

U Bugu smo više puta pisali o kvantnom računarstvu, a pregled trenutačne situacije dali su dr.sc. Mario Stipčević iz Zavoda za eksperimentalnu fiziku na Institutu Ruđer Bošković i Igor Lasić, viši potpredsjednik za tehnologiju u ReversingLabsu, uglednoj domaćoj tvrtki s međunarodnim dosegom u području računalne sigurnosti.

Jedan od izazova koji prvi pada na pamet razvojem kvantnih računala je razbijanje enkripcije, a RSA enkripcija je temelj sigurnosti plaćanja i transakcija. Iza nje se kriju važni podaci i njeno razbijanje jako bi poremetilo stanje Interneta i sigurnosti. RSA je napravio opširan blog u kojem ilustrira da bi za razbijanje 2048-bitnog ključa trebalo teoretsko računalo od 20 milijuna kubita, dok sada u ovoj ranoj fazi postoje računala s 1000.

Naš sugovornik, Igor Lasić iz ReversingLabsa smatra da je vrijeme za pripremu već sad.

Igor Lasić: „Stvar je u pripremi. Za migraciju industrije (i velikih organizacija) na quantum-safe tehnologije trebat će više godina, tako da je vrijeme za pripreme sada. Najveća banka na svijetu je krenula s quantum-safe pripremom već prije skoro dvije godine.

Iako su potpuno funkcionalna kvantna računala još godinama daleko, treba zauzeti proaktivan stav i početi s pripremama već sada.

Kvantno računarstvo može unutar sat vremena “razbiti” enkripcije koje su trenutno standardne u industriji. To nije slučaj s tradicionalnim računarstvom. S računalima kakva poznajemo danas, taj isti zadatak dekriptiranja može trajati čak i stoljećima.

Današnja računala obrađuju informacije u binarnom obliku (nule i jedinice). Kvantna računala će to raditi oslanjajući se na principe kvantne mehanike. Moći će puno brže izvoditi složene izračune. Današnje metode šifriranja, posebno enkripcija s javnim ključem (PKE), oslanjaju se na matematičke probleme za čije rješavanje klasičnom računalu treba mnogo godina, čak i stoljeća. Jedan od tih problema je faktorizacija velikih prirodnih brojeva. Kvantna računala mogla bi razbiti takvo šifriranje u svega nekoliko sati. Na to je prvi ukazao matematičar Peter Shor 1990-ih godina.“

Za velike sustave poput banaka, telekoma, web trgovina, kartičarskih tvrtki i druge koji su potencijalno ugroženi važno je da razumiju što sve treba migrirati poput web komunikacije, enkripcije fileova i sl. Treba procijeniti koliko vremena treba za migraciju i da postoji plan.

Igor Lasić: „Također, da prate u kojem će trenutku netko objaviti da je uspješno dekriptirao postojeće “sigurne” enkripcije. Naposlijetku, da prate razvoj quantum-safe metoda enkripcije i da budu spremni odabrati jednu u sljedeće 2-3 godine.

Sigurnosna branša već neko vrijeme razvija rješenja za post-kvantnu kriptografiju (PQC). Američki Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST) je bio na čelu inicijative za razvoj "kvantno sigurnih" algoritama za šifriranje. Po nekim procjenama, implementacija novih standarda enkripcije mogla bi potrajati 5-10 godina. To znači da se treba početi pripremati odmah, a ne čekati da kvantna računala postanu stvarnost. Ima dovoljno istraživanja u quantum-safe područjima, tako da mislim da će to biti riješeno, čak i danas. Razvija se nekoliko pristupa:

•             Kriptografija bazirana na rešetkama (LBC). Koristi matematički problem koji je težak čak i za buduća kvantna računala. Radi se o pronalaženju točaka u rešetkama visokih dimenzija. Ovo je, čini se, vodeći kandidat za kriptografiju u post-kvantnoj eri.

•             Kriptografija bazirana na hash funkciji. Stvara sheme potpisa koje mogu izdržati kvantne napade. NIST je standardizirao nekoliko algoritama ovoga tipa, uključujući SPHINCS+.

•             Kriptografija bazirana na kodu. Temelji se na radu Roberta McElicea i kasnije Haralda Niederreitera, a koristi kodove za ispravljanje pogrešaka.“

Zdrava količina skepse

I dok kvantno računarstvo ima potencijal za pokretanje tehnološke revolucije, i dalje pred sobom ima velike prepreke, pa smo sjeli natrag za stol i prošli bazične postavke kvantnog računarstva s dr.sc Mariom Stipčevićem iz Laboratorija za fotoniku i kvantnu optiku na IRB-u. On se trenutačno bavi primjenom optičke kvantne komunikacije u svrhu postizanja ultimativne kibernetičke sigurnosti i stohastičkim impulsnim računalom kao kandidatom za energijski i resursno štedljivom tehnologijom za potrebe robotike i umjetne inteligencije.

Dok se klasično računarstvo temelji na tranzistorima i bitovima, koncept kvantnog računarstva temelji se na kubitima, pa je početna točka razgovora bilo objašnjenje što uopće je taj osnovni element.

Mario Stipčević: „Kubit je fizički objekt koji nosi najmanju količinu kvantne informacije, analogno klasičnom biti koji nosi jedan bit klasične informacije. Kubit se realizira putem sustava koji ima dva takozvana kvantna stanja. Laički (ali netočan!) klasični model kubita bi mogao biti novčić koji rotira na stolu. Novčić ima dvije stranice, recimo da su označene s 0 i 1. Dok rotira  je u "superpoziciji" odnosno nije ni u jednom stanju. Kad ga klepimo dlanom i zalijepimo za stol, on će pokazali nulu ili jedinicu - to bi bio analogno mjerenja kubita. Međutim, opisani model je klasičan i ukoliko bismo iz njega išli raditi zaključke o tome kako radi kvantno računalo, vrlo brzo bismo došli do posve netočnog rezultata.“

Iako postoji niz objašnjenja o tome kako funkcionira kvantno računalo, stvari nisu tako jednostavne i postoji više izazova koje nam je približio dr.sc. Mario Stipčević.

Mario Stipčević: „Prije svega, kvantna superpozicija nije isto što i klasična (zdravorazumska), a tu je i pojam više čestičnog kvantnog ispreplitanja koji je visoko netrivijalan čak i ekspertima i kojem se malo zna. Nobelovac za fiziku 2023. godine, koji je dobio nagradu za razumijevanje i eksperimente kvantnog ispreplitanja, prof. Antom Zeilinger, uspio je s kolegama proučiti ispreplitanje tri čestice i pronašao zapanjujuće nove efekte koji ne postoje kod ispreplitanja dvije čestice. Kvantno računalo radi samo ako su isprepleteni SVI kubiti, recimo njih tisuće. Iskustva s takvim sustavima nema nitko. Nadalje, u kvantnim računalima baziranim na "kvantnom žarenju" (uvriježeni a nespretni hrvatski prijevod sintagme "quantum annealing"), a takva su sva računata tvrtke D-Wave, bitan je i efekt kvantnog tuneliranja to jest mogućnosti prolaska čestice kroz naoko neprobojnu barijeru. Spomenuti neintuitivni kvantni efekti: superpozicija, ispreplitanje i tuneliranje, nužni su da bi kvantno računalo moglo ostvariti svoju računarsku premoć (supremaciju) nad klasičnim računalom, barem u teoriji. U praksi korištenje tih efekata je otežano implementacijskim i operativnim nesavršenostima: netočnošću, šumom i dekoherencijiom.“

Zbog problema dekoherencije kvantna računala su ogromni frižideri koji trebaju držati temperaturu blizu apsolutne nule kako bi se održalo stanje čestične koherencije. To je izuzetno teško i zasada nije u potpunosti riješeno.  

U našoj smo temi prije nešto više od godinu dana prošli kroz trenutačno najvažnije tehnologije koje se razvijaju na području kvantnog računarstva, a u taj svijet ponovno zaranjamo iz perspektive dr. Stipčevića.

Mario Stipčević: „Najnaprednije tehnologije kvantnog računala su supravodljivi kubiti (koriste ih npr. D-Wave, Google i IBM) i fotonička (optička) računala (tvrtka Xanadu, projekt QU-PIC sa Sveučilišta Twente). Obje tehnologije pate od problema točnosti, šuma, skalabilnosti i dekoherencije. Ukratko, moguće je načiniti pokazno računalo koje može demonstrirati rješavanje problema na maloj skali, ali dalje od toga za sada ne ide.

Sve metode izgradnje čipova oslanjaju se na litografske procese razvijene za standardne silicijske čipove. Metoda izrade supravodljivih kvantnih čipova nije izuzetak, samo što se umjesto sa silicijem radi s niobijem ili aluminijem. Problem je u tome što je funkcioniranje tako proizvedenih supravodljivih kubita neprecizno. Na primjer ako želimo da kubit bude u jednakoj superpoziciji nule i jedinice, tipična pogreška će biti plus minus 1% od idealnih 50%. To je prevelika pogreška za ikakve račune. Rješenje za pronađeno u korekciji pogreške (error correction) na način da se više fizičkih kubita spoji u jedan "logički". Tipično, logički kubit se danas sastoji od oko 5000 fizičkih kubita (stvarnih kubita na čipu) kako bi se dobila točnost od 12 decimala (1 u tisuću milijardi), ali ni ta točnost nije dovoljna za kvantnu nadmoć.

Druga tip kvantnih čipova su optički kubiti. Njihova najveća prednost je što mogu raditi na sobnoj temperaturi pa ne zahtijevaju ogromne kriogeničke posude, pumpe i kompresore, ali su i veći te na najveći raspoloživi wafer stane tek oko tisuću logičkih kubita. Čak i gorljivi pristaše te tehnologije izražavaju sumnju u mogućnost skaliranja (povećanja) na bitno veći broj kubita, dok supravodljivi nemaju tih problema. Dodatna mana je vrlo kratko vrijeme koherencije (oko 1000 puta kraće nego supravodljivih) što znači da kompletna željena operacija/postupak mora završiti u bitno kraćem vremenu nego kod supravodljivih. Treći problem je neefikasnost generiranja pojedinačnih fotona i njihove detekcije, što bitno otežava upis zadatka i očitavanje rješenja. Za sada je ta tehnika realizacije kvantnog računala daleko inferiorna tehnici supravodljivih kvantnih računala, ali se na njoj intenzivno radi.“

Matematički izazov daleko od rješenja

Izazov koji trenutačne kvantne tehnologije imaju pred sobom je što su neupotrebljive u korisne praktične svrhe. Prema Marinu Stipčeviću znanstvenici iz tog polja su stoga i promijenili definiciju kvantne nadmoći u: "Kvantna nadmoć sastoji se u predstavljanju zadatka, moguće bez praktične vrijednosti, čije je izračunavanje izvedivo na kvantnom uređaju, ali ga ne mogu izvesti klasična računala u prihvatljivom roku." I baš tu postoji veliki skeptizicam oko rješavanja prepreka pred kvantnim računarstvom kojeg dijeli dr.sc. Mario Stipčević.

Mario Stipčević: „Ja bih rekao da ukoliko se ikoja tehnologija kvantnih računala ikada približi svojoj apstraktnoj ideji na papiru, i ukoliko kvantna mehanika doista opisuje stvarnost dostatno točno za konkretnu primjenu, vjerujem da bi kvantno računalo moglo biti moćnije od klasičnog samo u rješavanju zadataka u kojima se ne traži visoka preciznost. U kvantnom računalu naime inicijalni problem se zadaje na način da se jedan poseban fizički objekt (koji se sastoji od kubita) postavi u kvantno stanje koje odgovara opisu željenog problema/zadatka, potom se taj fizički objekt manipulira kvantnim logičkim vratima i na kraju se iz tako dobivenog izmijenjenog objekta "mjeri", odnosno očita, konačan rezultat. Problem je da svaka i najmanja operacija pri upisu, manipulaciji i čitanju tog objekta unosi pogrešku, da se pogreška koja se pojavi na nekom kubitu zbog kvantne isprepletenosti propagira na kompletan objekt, a da se informacija prisutna u sustavu degradira i sama od sebe pukim protokom vremena (takozvana kvantna dekoherencija), tako da ovakav koncept kvantnog računala nikako ne može rezultirati nekom više decimalnom preciznošću, osim u nekom imaginarnom svijetu matematičkih formula.

Jedan takav idealni svijet osmislio je američki matematičar Peter Shor, po kojem se naziva jedini poznati algoritam faktorizacije (za kvantna računala – op. ur). Ako bi taj algoritam profunkcionirao, klasična kriptogafija asimetričnog ključa (RSA protokol) kao i uspostava simetričnog ključa (Diffie-Hellman protokol), a s njima i sigurnost svih današnjih komunikacija, pali bi u vodu. Međutim, da bi se Shorovim algoritmom rastavio na faktore broj dug 86 znamenki bilo bi potrebno da su kubiti u kvantnom računalu toliko precizni da mogu razlikovati broj za 1 veći ili manji od 86-znamenkastog broja te da detektori mogu s istom rezolucijom razlikovati konačan rezultat. To je razina osjetljivosti kao da kompletnom Svemiru dodamo ili oduzmemo jednu jedinu elementarnu česticu! Ukoliko bismo pak željeli rastaviti broj duljine 87 znamenki točnost bi rasla na 1 česticu u 10 Svemira, a za 88-znamenkasti broj točnost bi bila 1 čestica u 100 Svemira i tako dalje. Da stvar bude gora, faktorizacija broja od 86, 87 ili 88 znamenki još nije ni približno dovoljna jer se u modernoj kriptografiji koriste 617-znamenkasti javni ključevi! Mislim da tu nijedno kvantno računalo tu nema nikakve šanse, ikada.

U prilog toj tezi, nedavno je objavljen znanstveni rad u kojem je dokazano da se Shorov algoritam ne može efektivno ostvariti na realističnom kvantnom računalu koje pati makar od vrlo malog, ali u praksi neizbježnog šuma.“

Primjena kvantnih računala

Ako se ipak vratimo u optimistični kolosijek, primjena kvantnih računala ima nesagledive posljedice. Igor Lasić iz ReversingLabsa smatra da je ogromni potencijal u području kvantnog računarstva.

Igor Lasić: „Kvantno računarstvo ima potencijal da pokrene sljedeću tehnološku revoluciju koja bi transformirala mnogo toga oko nas. Vjerujem da će u idućim godinama biti jasnije na koje sve načine bi se taj potencijal mogao realizirati. Kao i kod svih velikih novih tehnologija i izuma, postojat će s jedne strane prostor za zloupotrebu, a s druge velika prilika za korištenje na dobrobit ljudi i civilizacije.“

Priroda funkcionira na principima kvantne mehanike što uključuje načine na koji funkcioniraju molekule u našim tijelima, fotosinteze i svih drugih procesa. Osim kriptografije koje ima automatske posljedice na globalnu politiku i sigurnost, dugačak je popis benefita koje bi mogli stići iz kvantnog računarstva poput bržeg otkrivanja lijekova, iskorjenjivanja bolesti poput raka, Alzheimera i niza drugih zasada nedokučivih stanja, a fizičari kao što je Michio Kaku idu tako daleko da vjeruju kako će kvantna računala riješiti jednadžbe za razumijevanje same prirode svemira koja su izvan mogućnosti ljudi i suvremenih superračunala. I dok te popise mogućih benefita dr.sc. Mario Stipčević smatra nekoherentim popisom lijepih želja, vidi doista korisne aplikacije ove grane.

Mario Stipčević: „Vjerujem da kvantna računala imaju šanse u rješavanju problema u kojima se ne traži visoka točnost. Ukoliko pak mislite da je netočnost mana - u krivu ste! Jer sve što Čovjek radi je neprecizno, ali je punovrijedno čim je dovoljno precizno: raspoznavanje osoba (lica), pogađanje lopte u koš, skretanje autom u željenu ulicu, povratak iz dućana s potrebnim namirnicama, itd. Nikada ništa od toga nije savršeno, niti je točno na mnogo decimalnih mjesta, ali može dobiti zelenu kvačicu ako ulazi u neke gabarite. Na primjer, u košarci nije bitno da igrač loptu ubaci s odstupanjem od jedne milijuntinke milimetra od centra koša! Sasvim je dovoljno da lopta uđe i bodovi su tu!

Zadaci u kojima bih ja očekivao da kvantna računala mogu nadmašiti klasična spadaju u probleme optimizacije kakve rješavaju (ili pokušavaju riješiti) računala tvrtke D-Wave: minimizacija energije ili cijene logističkih ruta, odabir najboljih poslovnih poteza, upravljanja skladištima ili traženje novih molekula lijekova, odnosno kombinatorni problemi u kojima iz velikog broj mogućih kombinacija treba pronaći najbolju odnosno dovoljno dobru ili barem suziti prostor pretrage za povoljnim rješenjem, a koji bi se onda "napao" klasičnim računalom. Međutim to je samo daleka mogućnost. Pravo pitanje jest kako to tehnički realizirati i da li za to postoji i najmanja šansa.“

Nesumnjivo je pred kvantnim računalima niz ogromnih izazova za koji trenutačno nema rješenja. I dok se prepreke poput onih koje je plastično predstavio naš sugovornik čine nepremostive, istovremeno se sve velike tehnološke kompanije aktivno bave kvantnim računarstvom.