То потврђује и чињеница да су у квантна истраживања и развој владе широм света инвестирале више од 25 милијарди долара.

С обзиром на врло велике потенцијалне могућности примене квантних рачунара, истраживачки тимови многих институција и компанија баве се развојем ове области. Могло би се рећи да је, као и у многим другим областима, и у области квантног рачунарства настала својеврсна трка конкурената, а најзначајнији учесници су велике компаније – ИБМ, Интел, Гоогле, Мицрософт, Алибаба… И многе мање стартап компаније прикључиле су се том развоју – Rigetti, IonQ, QdžBranch, 1Qbit (SAD), Xanadu i ISARA (Kанада), Q‑CTRL (Aустралија)…

Квантни системи и кубити

На идеју о квантним рачунарима први је дошао амерички физичар и нобеловац Рицхард Феyнман још 1982. године. Њихов принцип рада заснива се на квантним својствима честица, које имају једноставну способност суперпозиције, односно на чињеници да једна честица у једном тренутку може бити у више стања све док не делујемо неком спољашњом силом на њу.

За разлику од класичних рачунара, код којих је елементарна количина информација бит, основна количина информација код квантних рачунара је квантни бит или кубит. Бит има две могуће вредности (0 и 1) и четири могуће комбинације (22), док кубит може имати вредност 0, 1 или обе истовремено (осам комбинација – 23). У односу на класичан рачунар, раст капацитета и брзине квантног рачунара је експоненцијалан. Ако, на пример, неки класичан рачунар извршава н операција, теоријски би се са истим бројем кубита на квантном рачунару могло да изврши 2н операција у истом временском интервалу.

Квантни рачунари користиће се и у моделирању ризика, финансијским предвиђањима, за истраживање енергије, сеизмичке оптимизације, за оптимизацију трговине и складиштења…

Овако реализовани квантни рачунари заправо су квантни системи по функцији, а не по структури. Осим способности суперпозиције, карактерише их дискретност енергије, квантна сплетеност и ефекат тунеловања. Кубити се углавном реализују на бази суперпроводних материјала и користе на температурама блиским апсолутној нули (због специфичних особина суперпроводљивости које се типично јављају на тим температурама).

ИБМ на првом месту

У ИБМ‑у се на развоју квантног рачунарства ради већ више од три и по деценије. При реализацији квантног процесора најпре се кренуло од једног кубита, а даља истраживања су у мају 2016. године довела су до првог значајнијег остварења – квантног процесора с пет суперпроводних кубита. Тада је први пут покренута ИБМ‑ова цлоуд платформа за слободно коришћење квантног процесора с било каквог стоног или мобилног уређаја. Платформа је добила назив ИБМ Qуантум Еџпириенце. Омогућава студентима, научницима и ентузијастима да истражују могућности квантног рачунарства.

Још значајнији напредак у развоју квантних процесора ИБМ је направио маја 2017. године. Тада су приказана и успешно тестирана два прототипа, један за будућа научна истраживања у области квантног рачунарства (са 16 кубита), и други намењен комерцијалној примени. Подразумева се да се приступ овим квантним процесорима такође може остварити преко ИБМ‑ове цлоуд платформе.

ИБМ‑ови квантни процесори су засновани на врло издржљивим материјалима, што је омогућило обављање на стотине квантних експеримената у научним истраживањима. Направљена је снажна платформа за решавање практичних проблема у научном и пословном свету. Њој је придодат и квантни процесор са 20 кубита у новембру 2017. Тада је, истовремено, приказано и најновије остварење ИБМ‑а, квантни процесор са 50 кубита, који је у том тренутку представљао процесор с највише кубита.

Затим је 2020. године приказан квантни процесор са 65 кубита (Хуммингбирд), а у новембру претходне године (2021) и први ИБМ‑ов квантни процесор са више од 100 кубита – Еагле. Он има 127 кубита и доступан је као истраживачки систем на ИБМ цлоуд‑у одабраним члановима ИБМ‑ове квантне мреже (ИБМ Qуантум Нетњорк). Тиме је превазишао кинески 113‑кубитни квантни процесор Јиузханг 2.0, као и Гуглов 72‑кубитни Bristlecone, и значајно се приближио тренутку када ће квантни рачунари моћи да замене класичне у бројним корисним апликацијама.

Закључно са овим ИБМ‑овим квантним процесорима, од 2019. године функционише ИБМ‑ов први интегрисани квантни рачунарски систем на свету (IBM Quantum System One). Ове системе засноване на облаку ИБМ је поставио у САД, Немачкој и на Кливлендској клиници.

Квантни процесор са 1000 кубита

Најновије информације из ИБМ‑а кажу да је ова компанија објавила још амбициознији план за склапање квантног рачунара од 1000 кубита до 2023. године. Током 2022. планирана је реализација рачунара са 433 кубита, под називом Оспреy, док ће се 2023. појавити Цондор са 1121 кубитом. Тиме ће стартовати нови интегрисани квантни рачунарски систем вишег нивоа – ИБМ Qуантум Сyстем Тњо. Након тога развој се наставља. Циљ је реализација система са милион кубита.

Технологија која је довела до ових остварења заснована је на иновацијама дизајна и архитектуре већ постојећих квантних процесора, како би се смањио број потребних компоненти. Нова техника која се користи у Eagle поставља контролно ожичавање (повезивање) на више физичких нивоа унутар процесора, док се кубити задржавају на једном слоју, што омогућава знатно повећање броја кубита. На тај начин омогућава се истраживање проблема на вишем нивоу сложености у експериментима и апликацијама, као што су оптимизација машинског учења или моделовање молекула и материјала у разним областима, почев од енергетске индустрије до процеса откривања лекова.

За овај систем најважнији је концепт модуларности. С гледишта хардвера, граде се процесори с већим бројем кубита, при чему је од посебног значаја реализација контролне електронике која омогућава корисницима да манипулишу кубитима, као и криогено хлађење које одржава кубите на довољно ниској температури како би се испољила њихова квантна својства. Криогена платформа је дизајнирана у сарадњи са финском компанијом Блуефорс Црyогениц, водећим светским произвођачем мерних система за уређаје са ултраниским температурама.

Фотонски квантни рачунари

Паралелно са уобичајеном стратегијом развоја квантних рачунара појављују се и нове идеје које воде ка једноставнијој реализацији. Једна од таквих идеја долази са Универзитета Стенфорд. Реч је о једноставном дизајну квантног компјутера који се може реализовати коришћењм компонента класичних рачунара. Они користе фотоне, који могу лако да преносе информације с једног места на друго, уз изузетну погодност што овакви, фотонски квантни, компјутери могу да раде на собној температури.

ИБМ је 2020. године приказао квантни процесор са 65 кубита, а у новембру 2021 и први квантни процесор са више од 100 кубита – Еагле

Студија је објављена у часопису Оптица, а аутори су Ben Bartlett, Avik Dutt i Shanhui Fan са Одељења за примењену физику на Стенфорду. Њихов систем користи ласер за манипулацију једним атомом који модификује стање фотона путем феномена који се назива квантна телепортација. Атом се може ресетовати и поново користити, што знатно смањује сложеност изградње квантног рачунара.

Систем се састоји од два дела: прстена за складиштење и јединице за распршивање. Прстен функционише слично меморији у класичном рачунару, то је петља са оптичким влакнима која држи више фотона који путују око прстена. Сваки фотон представља квантни бит, или кубит. Смер кретања фотона око прстена одређује вредност кубита, који као и бит може бити 0 или 1. Поред тога, пошто фотони могу да постоје у оба стања истовремено, они представљају комбинацију 0 и 1 у исто време.

Истраживачи могу да манипулишу фотоном усмеравајући га из прстена у јединицу за распршивање, где путује до резонатора који садржи један атом. Фотон ступа у интеракцију са атомом, што доводи до њиховог „запетљавања“ (квантни феномен у коме две честице могу утицати једна на другу чак и на великим удаљеностима). Затим се фотон враћа у прстен за складиштење, а ласер мења стање атома. Пошто су атом и фотон испреплетени, манипулисање атомом утиче на стање упареног фотона.

Примена квантних рачунара

Квантни компјутери ће се користити за решавање сложених проблема какве данас решавају суперкомпјутери. Биће потребно пет до седам година да остваре широку комерцијалну примену. Сматра се да ће са 100 кубита они бити моћнији од најснажнијих суперкомпјутера данашњице.

За универзитетске потребе квантно рачунарство ће се користити за климатско моделирање, биоинформатику, метеорологију, а у лабораторијама за проблеме оптимизације, науку о материјалима… Очекује се и њихова значајна тржишна и пословна примена. На пример, за потребе економије и финансија користиће се у моделирању ризика, стратегији трговине и финансијским предвиђањима, а у области енергетике за истраживање енергије, истраживање сеизмичке оптимизације, резерве и оптимизацију трговине и складиштења.

Извор: PCPress.rs