Pages Menu
TwitterRssFacebook
Categories Menu

Posted on 23.09.19 in Featured, Univerze

dr. Anton Potočnik, IMEC:  Kvantno računalništvo ima potencial, da nam kaže nove smeri v razvoju človeštva

dr. Anton Potočnik, IMEC: Kvantno računalništvo ima potencial, da nam kaže nove smeri v razvoju človeštva

Nedvomno je minulo stoletje zaznamovala kvantna fizika, saj si modernih tehničnih pripomočkov ne predstavljamo več brez nje. Napovedi razvoja tega stoletja pa si težko predstavljamo brez dognanj povezanih s kvantno znanostjo. Gre za zapleten, še ne popolnoma raziskan svet, ki se na majhnem nivoju, na nivoju majhnih delcev, ne obnaša tako, kot bi pričakovali na podlagi klasičnih fizikalnih zakonitosti. Če samo omenimo področje razvoja kvantnih računalnikov, naj bi nam ti odprli nove nepredstavljive možnosti procesiranja informacij in preoblikovali naš pogled na svet in naše življenje v njem. Ob Svetovnem kongresu slovenskih fizikov, ki ga je v okviru 100. obletnice Univerze v Ljubljani pripravila Fakulteta za matematiko in fiziko (FMF), smo se pogovarjali z dr. Antonom Potočnikom, kvantnim fizikom ki se ukvarja s superprevodnimi kvantnimi tehnologijami v imec-u, raziskovalnim institutom za mikroelektroniko v Belgiji, kjer skupina izjemno sposobnih raziskovalcev, inženirjev in znanstvenikov, razvija tehnologijo prihodnosti. Potočnik je diplomiral na FMF in doktoriral pri prof. Denisu Arčonu na problemu molekularne superprevodnosti na meji s prehodom iz kovine v izolator. Podoktorsko pa je raziskoval v skupini prof. Andreasa Wallraffa na ETH v Zürichu, kjer je preučeval različne kvantne simulacijske pristope s superprevodnimi vezji.

Potočnik z izjemno elokvenco in natančnostjo med drugim pojasni, da v kvantnem svetu nekatere značilnosti delcev niso natančno določene, kot recimo položaj. To pa zato, ker se lahko na kvantni ravni vsi delci obnašajo kot valovi. V resnici se kvantni sistemi obnašajo kot valovi in delci hkrati. Kar klasično razumemo o valovih – ki se lahko raztezajo na več kot eni natančni fizični lokaciji – so kvantni delci lahko na dveh (ali več) mestih naenkrat oz. so v dveh (ali več) stanjih naenkrat. Na primer, pri elektronu je takšno stanje orientacija njegovega magnetnega momenta – spina, pri fotonu pa njegova polarizacija. Najbolj nenavaden kvantni fenomen (o čemer je govoril tudi Einstein) je, da so nekateri pari delcev prepleteni, kar pomeni, da se lastnosti enega delca odzovejo takoj na spremembe, ki jih doživlja drugi delec, tudi če sta oba ločena. Zelo pomembna aplikacija tega učinka je danes kriptirana komunikacija na osnovi kvantne prepletenosti.

Svet 20. stol. je tako rekoč zaznamovala kvantna fizika in moderni tehnični pripomočki v bistvu ne obstajajo več brez kvantne fizike. V 21. stoletju pa moderna tehnologija uporablja tiste najbolj nenavadne dele kvantne fizike. Govorimo o kvantni komunikaciji, kvantnih detektorjih itd. In ko govorimo o kvantni tehnologiji imamo kar predstavo, da ta tehnologija pokriva predvsem kvantno računalništvo. Je to zmota, če da, zakaj se je tako prijela.

Res je, da se danes govori predvsem o kvantnem računalništvu. Ni pa res, da je kvantna mehanika prišla v uporabo šele pred kratkim. Že več deset let uporabljamo mobilne telefone, računalnike, zaslone s kvantnimi pikami itd. in vse to temelji na kvantni mehaniki. Res pa je, da kvantno računalništvo ponuja nekaj res novega. Vsi ti neintuitivni pojavi kvantne mehanike so osnovni elementi kvantnega računalništva kar pomeni, da jih zdaj prvič lahko izkoriščamo za procesiranje informacij. In to je nekaj zelo novega in nekaj presenetljivega in sploh si ne moremo predstavljati kakšne vse so možnosti.

Kvantni sistemi temeljijo na kvantni prepletenosti in superpoziciji. V čem je poanta kvantne prepletenosti. V povezavi s tem nahajamo zapise, da je že Einstein za kvantno prepletenost izražal skepso.

Ja, res je. Einstein, ni verjel v kvantno mehaniko, ker je rekel, da bog ne kocka. In s tem, ker ni verjel, ker je dvomil, je izredno pripomogel k razvoju kvantne mehanike. Einstein je tako rekoč prisilil takratne znanstvenike, da so intenzivno razmišljali, kako ta deluje, kako razumemo pojave, kako narava deluje. Ta primer kvantne prepletenosti je zelo pomemben, ker je vsaj takrat kazalo, da se ne sklada z zakoni fizike, še posebej s teorijo relativnosti. To je bilo takrat res nenavadno, je pa pripomoglo, da danes dobro razumemo, kaj se v bistvu dogaja. In zato govorimo o kvantni prepletenosti kot o nečem popolnoma kvantnem, o čudnem, o neintuitivnem.

Kako pa pojasniti superpozicijo v kvantnih sistemih.

To je bolj splošen pojav. Kvantna prepletenost prihaja iz superpozicije. Žal se ta enako težko razume. Na FMF, so nas dobro naučili, da kvantne pojave enostavno izračunaš in vidiš kaj se bo zgodilo. Naša intuicija o kvantni naravi ni dovolj dobra. Če zmotimo kvantni sistem ne vemo, kako se bo odzval, če pa vržemo kocko z mize, pa lahko dobro napovemo pod kakšnim kotom in s kakšno hitrostjo bo zadela tla. Če vendarle poskusim, superpozicija…enostavno povedano pomeni, da je sistem lahko v dveh ali več stanjih hkrati, vendar ne vemo v katerem stanju je. In ne samo, da ne vemo, dokler ne pomerimo, sistem dejansko ni v nobenem določenem stanju. To posebno lastnost lahko uporabimo za kvantno računanje pa tudi takrat, če si tega ne moremo enostavno predstavljati.

Če prav razumem, o čemer ste prej govorili, teoretično ta učinek ponuja priložnost za takojšnjo komunikacijo, z manipuliranjem enega delca se takoj spremenijo lastnosti drugega ločenega delca, ne glede na oddaljenost. Se pravi, da se na majhnem nivoju svet ne obnaša tako, kot bi pričakovali na podlagi fizikalnih pravil, matematike in logike. Se tu raziskovalci srečujete z omejitvami narave. Kako to sprejemate glede na to, da naj bi fizika raziskovala zakonitosti narave.

V principu, so to težave, ki jih je imel Einstein oziroma znanstveniki v tistem času. Izkaže se, da z zakoni narave oziroma fizikalnimi  zakoni, ki so jih razvili, ni nič narobe. Recimo, da imamo dva prepletena delca, ju ločimo in damo na različne konce vesolja. Če sta prepletena, pomeni, da oba kažeta gor ali dol. Dokler enega ne pomerimo, ne vemo, kako kažeta. Takoj ko prvega pomerimo, pa vemo, da bo tudi drugi kazal enako, pa tudi če sta zelo, zelo daleč narazen. Ampak to ni dovolj, da se lahko pogovarjamo, na ta način ne moremo izmenjati informacije. Za to še vedno potrebujemo klasičen kanal, npr. telefonsko linijo. Kvantno prepletenost pa lahko uporabljamo za kriptografiranje, za zelo zaščiteno komunikacijo, kjer ne more nihče prisluškovati. Ta model uporablja dva kvantno prepletena delca in eno klasično linijo, s katero si izmenjamo delne rezultate meritev. Le kombinacija kvantnega in klasičnega modela nam omogoči uspešno kvantno šifriranje. Na koncu se vsi pojavi pokoravajo osnovnim zakonom fizike, le predstavljati si jih je včasih težko.

Charles Bennett, fizik in informacijski teoretik pravi, da je kvantna informacija kot nekakšna informacija, ki jo imamo v sanjah.  Ko nekomu poveste, kaj ste sanjali, informacija izgine in ostaja samo tisto, kar ste izrekli. Težko razumljivo z vidika fizike, kjer je potrebno vse preveriti in izmeriti. Tu pa kvantna funkcija kar kolabsira.

To je v bistvu zelo dober primer. Če pripravimo neko kvantno stanje, na primer kvantno žogico, ki je lahko ali modre ali rdeče barve, in če jo prepletemo, pomeni, da je naša žogica v modrem in rdečem stanju hkrati. Kako je to mogoče, je sicer druga zgodba, vendar se izkaže, da je v kvantni mehaniki to dovoljeno. Kar je zanimivo pa je, da ne vemo v kakšnem stanju je, dokler je ne pogledamo oz. pomerimo. In ko to naredimo, se sistem odloči, ali bo šel v eno ali drugo stanje, popolnoma naključno. To pomeni, da ko imamo žogico zaprto v škatli, je lahko ta katerekoli barve, ko pa škatlo odpremo, pa zagledamo žogico z določeno barvo, modro ali rdečo. In o tem so potekale razprave mnogo let. Mnogo ljudi je mislilo, da ima žogica v našem primeru vedno določeno barvo, mi samo ne vemo kakšna je, dokler je ne pogledamo. Vendar so zadnji eksperimenti potrdili, da ni skrite informacije, katere mi enostavno nimamo, dokler sistema ne pomerimo. Sistem je dejansko v prepletenem, nedoločenem stanju vse dokler ga ne pomerimo. In samo z meritvijo sistem pristane v naključno določenem stanju. To odpre zanimiva vprašanja, kot recimo…ali je Luna obstajala preden jo je kdo opazil. Vendar je to bolj vprašanje za kozmologe.

V začetku sva omenila kvantne računalnike in kvantno računanje. Kako pa ti delujejo, kako se razlikujejo od teh klasičnih računalnikov.

Kvantni računalniki uporabljajo principe kvantne mehanike. Najbolj pomembna je superpozicija, kar pomeni, da imamo lahko računalnik v več stanjih hkrati. Na primer, dva klasična bita lahko predstavita samo eno od štirih števil naenkrat, recimo 0, 1, 2, 3. Po drugi strani, dva kubita, kvantna bita, lahko predstavita vsa štiri števila hkrati. Pomeni, da danes, ko imamo računalnike z ogromnim številom bitov, lahko računamo samo z nekaj relativno velikimi števili naenkrat. V kvantnem računalniku pa lahko računamo s toliko števili hkrati, kot je največje število, ki ga lahko predstavimo s kubiti v procesorju, in to je lahko res veliko. Tu obstaja zanimiv primer, ko bomo imeli računalnik s 300 kubiti, kar sicer ni tako veliko, bo ta sistem lahko naenkrat predstavljal tako veliko števil, kot je število atomov v vesolju. Res, težko si predstavljamo, kakšne možnosti ponuja kvantno računalništvo. In to je gotovo tisto, kar ga loči od klasičnega. Ne gre zgolj za to, da je kvantni računalnik sposoben reševati določene probleme hitreje, kvantni računalnik bo lahko rešil probleme, ki jih najboljši klasični računalniki nikoli ne bodo mogli, na primer faktorizacijo velikih števil, ki je pomembna za RSA šifriranjem. In tu je razlika najbolj očitna. Poudaril pa bi, da bodo kvantni računalniki vedno potrebovali klasične računalnike za delovanje. Ena od smeri razvoja gre v t.i. kvantni koprocesor, kjer bo kvantno jedro izkoriščalo kvantne pojave za računanje težkih procesov, vse preostale enostavne procese pa bo izvajal klasični računalnik. To je na primer uporabno za kvantno kemijske račune za kar se, med drugimi zanima, farmacijska industrija.

Kvantni računalniki delujejo na – 273°C. To si kar težko predstavljamo.

Vsi računalniki, ki jih danes uporabljamo imajo na eni strani procesor in na drugi periferijo, kot je ohišje, napajalnik, itd. Tudi kvantni računalniki imajo procesor oz. superprevodni čip in periferijo. Pomemben del periferije, ki skrbi da kvantni računalnik deluje, je hladilnik, ki ohladi procesor na -273,14°C, oziroma 0,01 stopinje nad absolutno ničlo. To je mogoče doseči z mešanico Helija 3 in Helija 4 v zaprtem krožnem sistemu, podobnem kot v domačem hladilniku. Tako nizke temperature so potrebne za to da je procesor superprevoden, s čimer podaljšamo koherenčni oz. računski čas kubitov, in da odstranimo spontano in nekontrolirano vzbujanje kubitov. Na primer, običajno začnemo kvantno računanje s kubiti v osnovnem stanju |0>. če procesorja ne ohladimo dovolj dobro, se lahko zgodi, da se en kubit spontano vzbudi v stanje |1>, kar bo pokvarilo račun. Tehnologija za ohlajanje do tako zelo nizkih temperatur je znana že vrsto let in danes deluje izredno dobro. Res pa je, da javnost nima izkušenj s takimi hladilniki.

Kar nekaj globalnih podjetij je zaznalo tekmo, ki jo obeta kvantno računalništvo…Google, Microsoft, IBM, Intel, Rigetti, D-Wave,…. kje so še težave. Koliko pa so danes kvantni računalniki že razviti in kdaj bodo prišli v uporabo. Napovedi so nekje pet let.

Res je, kar nekaj podjetij je, ki stavi na kvantno računalništvo. Ker je verjetnost za uspeh relativno visoka, so ta podjetja uspela prepričati investitorje, da vložijo za razvoj veliko denarja. Težav pa kot pri vsaki tehnologiji na začetku ne manjka. Danes je 20 kubitni računalnik dostopen preko interneta izbranim znanstvenikom in IBM-ov 5 kubitni računalnik vsem ostalim. Podjetja, ki ste jih omenili, že imajo kvantne procesorje z okoli 100 kubitov, a žal še ni nihče pokazal, kako dobro ti veliki računalniki delujejo. Največ kar so pokazali, je delovanje 20 kubitnih procesorjev. Zelo verjetno je, da je kvaliteta kubitov v velikih procesorjih precej slabša kot pri majhnih procesorjih. Po drugi strani pa je preverjanje delovanja velikih procesorjev veliko težje. Če se vrnem na prejšnji primer, za preverjanje delovanja kvantnega računalnika s 300 kubiti, bomo morali pomeriti toliko stanj kot je atomov v vesolju, kar je izredno težko! Zaradi tega, se danes mnogo teoretikov ukvarja s problemom učinkovite in realistične karakterizacije več-kubitnih procesorjev. Torej, ne samo, da moramo izboljšati kvaliteto kubitov v več-kubitnih procesorjih, naučiti se moramo tudi kako preverjati delovanje teh procesorjev v razumnem času. In morda bomo v prihodnosti res potrebovali en kvanti računalnik, da bo preveril delovanje drugega.

Ko raziskovalci navajajo uporabno vrednost kvantnih računalnikov,  je ta res presenetljiva…npr., v množici baze velikih podatkov bodo lahko našli rešitev, ko podatki nimajo vzorca in so možnosti odkrivanja optimalnega odgovora majhne…lahko bodo pripeljali do odkritja novih zdravil in materialov….lahko bodo pomagali finačnemu področju za bojše investiranje…iskali bodo optimalne logistične poti v globalnem svetu….in najbrž še kaj. Bo kvantni računalnik pomagal raziskovalcem, so pričakovanja prevelika.

Vsekakor. Moje mnenje je, da pričakujemo celo premalo. Kvantni računalnik omogoča precej več stvari kot zgolj to, kar si lahko danes predstavljamo. Že dolgo poznamo Shorov algoritem za faktorizacijo velikih števil, ki se uporabljajo pri šifriranju in Groverjev algoritem za iskanje po nepovezanih bazah. Dandanes se ogromno raziskuje na področju kvantne kemije, razvijajo se kvantni algoritmi za računanje energijskih nivojev v velikih molekulah, npr. proteini, iskanje novih materialov, kemijskih reakcij, itd. Na področju kvantne optimizacije trenutno prevladuje podjetje D-Wave, ki med drugimi ponuja rešitve velikih problemov npr. na področju optimizacije logističnih poti.  Morda “nadproblem” pa je strojno učenje. Danes je Google eden od največjih igralcev na tem področju, skupaj z IBM-om in Rigetti-jem. Ta podjetja nenehno iščejo način, kako bi lahko strojno učenje izvajali na kvantnem računalniku, s čimer bi učenje pohitrili in razširili. Strojno učenje potrebuje ogromno količino vhodnih podatkov in dolgotrajno učenje na teh podatkih. V kvantnem računalniku bi lahko te podatke zapakirali v superpozicijo in nato vse podatke naenkrat uporabili za učenje npr. kvantnih nevronskih mrež. Morda projiciram predaleč, ampak približno v to smer gre razvoj kvantnega strojnega učenja. Kar sem omenil, so že znani algoritmi oz. uporaba kvantnih računalnikov, rad bi pa poudaril, da kvantno računalništvo omogoča precej več, omogoča reševanje problemov, ki se jih danes niti ne zavedamo, da jih imamo. Na primer, pred petdesetimi leti se ni nihče zavedal, da bomo imeli internet, Facebook, … danes pa si brez teh življenje težko predstavljamo. S kvantnim računalništvom tako prihajajo problemi in rešitve, za katere prej nismo vedeli, da obstajajo. V splošnem menim, da ima kvantno računalništvo potencial, da nam pokaže nove smeri v razvoju človeštva, prav tako kot so nam klasični računalniki spremenili svet v začetku prejšnjega stoletja. Povedal pa bi, da danes programirati kvantni računalnik ni težko. Obstajajo kvantni procesorji, ki so na voljo in dostopni na internetu. IBM, Microsoft in ostali imajo navodila za programiranje prosto dostopne na internetu. Zato bi pozval vse, ki jih zanima, da v Googlu vtipkajo »IBM quantum« ali pa »Q-sharp«, se naučijo programirati kvantni računalnik in z igranjem razvijejo intuicijo potrebno za razvoj novih kvantih algoritmov. S tem lahko vsi pripomoremo k razvoju kvantne prihodnosti naše družbe.

Potočnik, vi raziskujete res zanimive pojave v mednarodni razvojni, inovativni skupini IMEC, diplomirali in doktorirali pa ste na FMF v Ljubljani. Kako to, da ste se odločili za odhod.

Po doktoratu na FMF in na IJS sem iskal novo znanje. Zato sem šel na postdoc na ETH v Zürich v skupino, ki se ukvarja s superprevodnimi vezji in kvantnimi računalniki. Tam sem se ukvarjal z eksperimentalnimi kvantnimi simulacijami. Moja skupina je recimo simulirala kvantne pojave fotosinteze s kubiti. Po štirih letih na ETH sem dobil enkratno ponudbo v IMEC-u v Belgiji, da se pridružim takrat ravno novi skupini za kvantno računalništvo s ciljem narediti prvi velik kvantni računalnik v Evropi. In to je bila ena od ponudb, za katero sem se odločil.

Je bila osnova znanja, ki ste ga pridobili na FMF enakovredna nivoju v mednarodnih skupinah.

Vsekakor. Nikoli nisem imel občutka, da moje predznanje ni dovolj dobro. V raziskavah pogosto prideš v stik s področji, ki jih ne poznaš, a ker so nas na fakulteti zelo dobro pripravili, nisem nikoli imel problemov se hitro naučiti novih veščin in razširiti znanje. Po drugi strani pa je tudi res, da sem imel na ETH izredno dobre študente, ki so me pogosto presenetili s težkimi vprašanji. Po eni strani bi lahko to pripisal dobri fakulteti v Zürichu, po drugi strani pa je res, da je ETH ena najboljših univerz na svetu in pritegne izredno dobre študente. Zato sem mnenja, da je naša fakulteta primerljiva ostalim najboljšim v Evropi, kar se odraža tudi v mednarodni prepoznavi naših profesorjev in raziskovalcev na FMF. Upam, da bo FMF še naprej delovala tako dobro in glede na programe, ki jih imajo, sem prepričan, da se bo kvaliteta samo še povečevala.

Področje, s katerim se ukvarjate, je sploh v topiki  prioritet svetovne znanosti. To kaže tudi podatek, da je EU v naslednji finančni perspektivi namenila milijardo denarja za ta razvoj, za evropske raziskovalce, seveda je pa res, da je razvoj kvantnih tehnologij izjemno drag.

Da, miljarda evrov je veliko denarja, vendar relativno gledano pa niti ne tako zelo. Kvantne tehnologije so seveda zelo zanimive za nas fizike, kar nam omogoča raziskovati nove pojave in ustvarjati nove možnosti.  Presenetljivo pa je, da se za kvantno računalništvo zanimajo tudi politiki, ekonomisti, vojska, in ravno zato danes ni tako težko poiskati investitorjev, ki bi vložili v kvantne raziskave. EU je sicer ponudila veliko vsoto, vendar so hkrati posamezne države EU, kot sta Nemčija in Finska, namenile podobne količine denarja za raziskovanje kvantnih tehnologij samo v svojih državah. Tudi Amerika ogromno vlaga v te tehnologije. Točne vrednosti niso znane, vendar ocene kažejo, da precej več kot EU. Po drugi strani pa se dobro ve, koliko denarja vlaga Kitajska. Pred kratkim so namenili dve milijardi dolarjev za razvoj kvantnih tehnologij in odprli inštitut za kvantne tehnologije z budžetom desetih milijard dolarjev. Za naše raziskave so inštrumenti, naprave in hladilniki res dragi, a v primerjavi s trkalnikom v Cernu oziroma fuzijskim reaktorjem ITER pa niti ne tako. Vsekakor pa je zelo pomembno, da se v te raziskave vlaga. To bo nedvomno pripomoglo k hitrejšem razvoju uporabnih kvantnih računalnikov po vsem svetu.

Se nameravate vrniti in oplemenititi ta prostor z vašim obsežnim zanajem

Zaenkrat tega namena nimam, vsaj za nekaj let še ne, dokler ne razvijemo kvantnega računalnika v IMEC-u. Naše projekcije so nekje pet let za prvi srednje-velik kvantni računalnik in deset let za prvi uporabni računalnik. In nekje v teh časovnih okvirjih bom še ostal v IMEC-u. Kako pa bo potem, pa ne vem. Če bo priložnost bom z veseljem prišel nazaj. Res pa je, da je danes svet zelo majhen, iz Bruslja sem v Ljubljani v eni uri z letalom. Na našem področju je širjenje znanja nekaj običajnega, obstaja mnogo konferenc, predavanj in izmenjav. Že zdaj sodelujem s prof. Arčonom na FMF in upam, da se bo sodelovanje še povečalo, tudi z izmenjavo študentov, tako da se ne počutim odrezan od Slovenije.

 

Post a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *