Kvantna nadmoć je prekretnica ka kojoj polje kvantnog računarstva žarko radi, gde kvantni računar može da reši probleme koji su van domašaja najmoćnijih nekvantnih ili klasičnih računara.
Kvant se odnosi na skalu atoma i molekula gde se zakoni fizike dok ih doživljavamo raspadaju i primenjuju se drugačiji, kontraintuitivni skup zakona. Kvantni računari koriste prednosti ovih čudnih ponašanja za rešavanje problema.
Postoje neke vrste problema koje je nepraktično za rešavanje klasičnih računara, kao što je razbijanje najsavremenijih algoritama za šifrovanje. Istraživanja poslednjih decenija su pokazala da kvantni računari imaju potencijal da reše neke od ovih problema.
Ako se može izgraditi kvantni računar koji zaista rešava jedan od ovih problema, on će imati kvantnu nadmoć.
Ja sam fizičar koji proučava kvantnu obradu informacija i kontrolu kvantnih sistema.
Verujem da ova granica naučne i tehnološke inovacije ne samo da obećava revolucionarni napredak u računarstvu, već predstavlja i širi porast kvantne tehnologije, uključujući značajan napredak u kvantnoj kriptografiji i kvantnom sensingu.
Centralno za kvantno računarstvo je kvantni bit, ili kubit. Za razliku od klasičnih bitova, koji mogu biti samo u stanjima 0 ili 1, kubit može biti u bilo kom stanju koje je neka kombinacija 0 i 1. Ovo stanje ni samo 1 ni samo 0 je poznato kao kvantna superpozicija. Sa svakim dodatnim kubitom, broj stanja koja se mogu predstaviti kubitima se udvostručuje.
Ovo svojstvo se često pogrešno smatra izvorom moći kvantnog računarstva. Umesto toga, svodi se na zamršenu međusobnu igru superpozicije, mešanja i isprepletanja.
Interferencija uključuje manipulisanje kubitima tako da se njihova stanja konstruktivno kombinuju tokom proračuna kako bi se pojačala tačna rešenja i destruktivno da bi potisnuli pogrešni odgovori.
Konstruktivna interferencija je ono što se dešava kada se vrhovi dva talasa – poput zvučnih talasa ili okeanskih talasa – kombinuju da bi stvorili viši vrh. Destruktivna interferencija je ono što se dešava kada se talasni vrh i donja talasa kombinuju i poništavaju jedno drugo.
Kvantni algoritmi, kojih je malo i koje je teško osmisliti, postavljaju niz obrazaca interferencije koji daju tačan odgovor na problem.
Preplitanje uspostavlja jedinstvenu kvantnu korelaciju između kubita: stanje jednog se ne može opisati nezavisno od drugih, bez obzira koliko su kubiti udaljeni. Ovo je ono što je Albert Ajnštajn slavno odbacio kao „sablasnu akciju na daljinu“.
Kolektivno ponašanje Entanglement-a, orkestrirano kroz kvantni računar, omogućava ubrzanja računanja koja su van domašaja klasičnih računara.
Kvantno računarstvo ima niz potencijalnih upotreba gde može nadmašiti klasične računare. U kriptografiji, kvantni računari predstavljaju i priliku i izazov. Najpoznatije je da imaju potencijal da dešifruju trenutne algoritme šifrovanja, kao što je široko korišćena RSA šema.
Jedna od posledica ovoga je da današnji protokoli za šifrovanje moraju biti reinženjeringi da budu otporni na buduće kvantne napade. Ovo priznanje je dovelo do rastućeg polja post-kvantne kriptografije.
Nakon dugog procesa, Nacionalni institut za standarde i tehnologiju nedavno je odabrao četiri kvantno otporna algoritma i započeo proces njihove pripreme kako bi organizacije širom sveta mogle da ih koriste u svojoj tehnologiji šifrovanja.
Pored toga, kvantno računarstvo može dramatično ubrzati kvantnu simulaciju: sposobnost predviđanja ishoda eksperimenata koji rade u kvantnom području. Čuveni fizičar Ričard Fajnman zamislio je ovu mogućnost pre više od 40 godina.
Kvantna simulacija nudi potencijal za značajan napredak u hemiji i nauci o materijalima, pomažući u oblastima kao što je složeno modeliranje molekularnih struktura za otkrivanje lekova i omogućavajući otkrivanje ili stvaranje materijala sa novim svojstvima.
Druga upotreba kvantne informacione tehnologije je kvantno sensing: otkrivanje i merenje fizičkih svojstava kao što su elektromagnetna energija, gravitacija, pritisak i temperatura sa većom osetljivošću i preciznošću od nekvantnih instrumenata.
Kvantno sensing ima bezbroj primena u oblastima kao što su praćenje životne sredine, geološka istraživanja, medicinsko snimanje i nadzor.
Inicijative kao što je razvoj kvantnog interneta koji povezuje kvantne računare su ključni koraci ka premošćivanju kvantnog i klasičnog računarskog sveta.
Ova mreža bi mogla da se obezbedi korišćenjem kvantnih kriptografskih protokola kao što je kvantna distribucija ključeva, što omogućava ultra bezbedne komunikacione kanale koji su zaštićeni od računarskih napada – uključujući i one koji koriste kvantne računare.
Uprkos rastućem paketu aplikacija za kvantno računarstvo, razvoj novih algoritama koji u potpunosti koriste kvantnu nadmoć – posebno u mašinskom učenju – ostaje kritična oblast tekućih istraživanja.
Polje kvantnog računarstva suočava se sa značajnim preprekama u razvoju hardvera i softvera. Kvantni računari su veoma osetljivi na svaku nenamernu interakciju sa svojim okruženjem. Ovo dovodi do fenomena dekoherencije, gde kubiti brzo degradiraju na 0 ili 1 stanja klasičnih bitova.
Izgradnja kvantnih računarskih sistema velikih razmera sposobnih da isporuče obećanje kvantnog ubrzanja zahteva prevazilaženje dekoherencije. Ključ je u razvoju efikasnih metoda suzbijanja i ispravljanja kvantnih grešaka, oblasti na koju sam fokusiran.
U navigaciji ovim izazovima, pojavili su se brojni kvantni hardverski i softverski startupi, zajedno sa dobro uspostavljenim igračima tehnološke industrije kao što su Gugl i IBM.
Ovo interesovanje industrije, u kombinaciji sa značajnim ulaganjima vlada širom sveta, naglašava kolektivno prepoznavanje transformativnog potencijala kvantne tehnologije. Ove inicijative neguju bogat ekosistem u kojem akademska zajednica i industrija sarađuju, ubrzavajući napredak u ovoj oblasti.
Kvantno računarstvo može jednog dana biti jednako ometajuće kao dolazak generativne AI. Trenutno je razvoj tehnologije kvantnog računarstva u ključnoj fazi.
S jedne strane, ova oblast je već pokazala rane znake postizanja usko specijalizovane kvantne nadmoći. Istraživači u Guglu, a kasnije i tim istraživača u Kini, pokazali su kvantnu nadmoć za generisanje liste slučajnih brojeva sa određenim svojstvima. Moj istraživački tim je pokazao kvantno ubrzanje za igru pogađanja slučajnih brojeva.
S druge strane, postoji opipljiv rizik od ulaska u „kvantnu zimu“, period smanjenih investicija ako se praktični rezultati ne ostvare u bliskoj budućnosti.
Dok tehnološka industrija radi na pružanju kvantne nadmoći u proizvodima i uslugama u bliskoj budućnosti, akademsko istraživanje ostaje usredsređeno na istraživanje osnovnih principa koji su u osnovi ove nove nauke i tehnologije.
Ovo osnovno istraživanje koje je u toku, podstaknuto entuzijastičnim kadrovima novih i bistrih studenata tipa sa kojim se susrećem skoro svaki dan, osigurava da će ovo polje nastaviti da napreduje.
