Sat-Multimedia & IT portal Satelitska-IPTV-Multimedija od 2006
Brze internetske mreže, nova tehnologija, kvanti procesori, kvantna fizika, sve navedeno nudi bolju i intrigantniju budućnost. Vladislav Strekopytov iz RIA Novosti vodio je razgovor s fizičarem Aleksejem Fedorovim.
Piše: Darko Brlečić
Kvantni internet trebao bi igrati odlučujuću ulogu u širokom uvođenju kvantnih tehnologija, kaže fizičar Aleksej Fedorov. U intervjuu za RIA Novosti objasnio je kakve perspektive otvara novi komunikacijski alat i što je potrebno za njegovo pokretanje.
Aleksej Fedorov
Prva kvantna revolucija je razdoblje eksplozivnog tehnološkog rasta koji je uslijedio nakon stvaranja kvantne fizike. Rezultat je bila tranzistorska i laserska tehnologija, a kasnije i potrošačka računala i drugi digitalni uređaji. Vjeruje se da smo danas na pragu druge kvantne revolucije. Jedan od njegovih ključnih zadataka je razviti univerzalnu kvantno računalo sposobno izvoditi proračune koji su nedostupni postojećoj tehnologiji. Poteškoća leži u činjenici da je za to potrebno stvoriti sustav koji ima, na prvi pogled, nekompatibilna svojstva. S jedne strane, kvantno računalo mora biti dovoljno veliko da obradi enormne količine podataka. S druge strane, povećanje veličine ne bi trebalo dovesti do gubitka kvantnih svojstava. Da biste to učinili, morate održavati visoku razinu kontrole nad kvantnim sustavom.
Rješenje bi, prema znanstvenicima, moglo biti stvaranje uređaja temeljenih na konceptu kvantnog interneta. Ovaj pristup omogućuje povećanje snage kvantnih računala njihovim povezivanjem u kvantne mreže – bez smanjenja razine kontrole u svakom od njih.
Alexey Konstantinovich, zašto su kvantna računala potrebna i zašto bi trebala biti međusobno povezana?
— Kvantno računalo potrebno je za rješavanje problema iz područja kriptografije, kvantne kemije, optimizacije financijskog modeliranja i treninga umjetne inteligencije, s čime se klasična računala, pa čak i nama poznata superračunala ne mogu nositi. Pomoću kvantnih algoritama možete izračunati parametre složenih molekula, lijekova i novih materijala – na primjer, za proizvodnju zrakoplova.
Ako su stotine i tisuće kubita dovoljne za rješavanje početnih problema, onda su potrebne stotine tisuća ili milijuni da se pokažu značajne prednosti kvantnih uređaja. Također su potrebne kvantne operacije visoke preciznosti. Stoga je glavni problem skalirati kvantno računalstvo bez gubitka kvalitete kontrole nad qubitima. Jedna je mogućnost umrežiti kvantne procesore srednje razine.
Koje su prednosti kvantnog interneta?
“Omogućuje vam povećanje snage ne samo povećanjem broja qubita u svakom pojedinačnom procesoru, već i njihovim međusobnim povezivanjem. S ovom konfiguracijom, procesor će se sastojati od nekoliko “kvantnih čvorišta” povezanih kvantnom komunikacijom temeljenom na prijenosu kvantnih stanja. Činjenica je da se pri povezivanju na mrežu snage klasičnih računala zbrajaju, a kvantnih računala višestruko povećavaju. To osigurava kolosalan resurs za rješavanje računalnih problema.
Je li već moguće koristiti kvantni internet?
– Ne još. U 2021. bilo je nekoliko upečatljivih eksperimenata koji su pokazali osnovne principe njegova rada, uključujući modularne supravodljive uređaje. Daljnji napredak u ovom području iznimno je važan. Stoga je strateški projekt “Kvantni internet” uvršten u program razvoja NUST MISIS za 2021.-2030. Povezuje dva glavna vektora razvoja kvantnih tehnologija – kvantno računalstvo i kvantne komunikacije. Sveučilište uspješno radi na ovim područjima. U laboratoriju “Superconductor Quantum Technologies”, koji je postao jezgra našeg Instituta za fiziku i kvantno inženjerstvo, stvaraju kvantne uređaje temeljene na supravodljivim kubitima i implementiraju mikrovalni kanal za prijenos kvantnih informacija između njih, a NTI centar “Kvantne komunikacije” “ odgovoran je za tehnologije za kvantni prijenos podataka i zaštitu njihovih sustava.
Odnosno, za rad kvantnog interneta potreban je poseban hardver i tehnologije prijenosa podataka?
– Ne samo. Akumulirano iskustvo klasičnih telekomunikacija ne može se uvijek izravno upotrijebiti u kvantnim mrežama te su stoga potrebna posebna istraživanja. Trebamo nove algoritme za kvantni softver, posebne protokole za komunikaciju kvantnih računala i nove arhitekture za kvantne računalne uređaje. Dinamiku složenih kvantnih sustava i prijenos informacija unutar njih tek treba proučavati. U sklopu projekta Quantum Internet ne radimo samo izravno na implementaciji kanala za prijenos kvantnih informacija s jednog qubita na drugi, već i na stvaranju novih protokola za generiranje zapetljanih stanja, kao i algoritama za rješavanje prototipova primijenjenih problema u području kemije i optimizacije.
Na čemu se temelji princip rada postojećih kvantnih procesora?
— Postoji nekoliko načina za njihovo stvaranje. Jedan je uporaba supravodljivih Josephsonovih spojeva i mikroskopskih supravodljivih struktura. Ovaj pristup usvojili su mnogi industrijski lideri kao što su Google, IBM i Alibaba. Ključna prednost supravodične verzije razvoja kvantnih uređaja je njihova proizvodnost. Ovi uređaji izrađeni su korištenjem dobro razvijene tehnologije litografije. Kombiniraju veliku brzinu i kvalitetu kvantnih operacija. Ali postoje i poteškoće – na primjer, zahtjev za visokim stupnjem identiteta supravodljivih kubita.
Osim supravodljivih kvantnih procesora, razvijaju se i druge platforme – neutralni atomi, ioni, optički kubiti. Aktivno surađujemo sa znanstvenim grupama koje rade na ovim područjima. Međutim, svaka od spomenutih platformi suočava se s problemom održavanja kvalitete kontrole kako se broj qubita povećava. 16-qubit procesori temeljeni na ionima i neutralnim atomima već su demonstrirani u Rusiji. Očigledno, broj kontroliranih ionskih kubita u zamci i neutralnih atoma može se povećati na 50-100. Znanstvene skupine diljem svijeta provele su eksperimente s 256-atomskim kubitima, ali je kvaliteta operacija u ovom slučaju znatno niža nego u verziji s ionima. Nedavno najavljeni IBM-ovi supravodljivi procesori imaju 127 i 433 qubita, ali u prvom slučaju kvaliteta rada ne dopušta rješavanje problema brže od klasičnog računala, a detaljni parametri 433-qubit procesora još uvijek nisu poznati.
Kako se može optimizirati rad kvantnih procesora?
— Postoji nekoliko pristupa. Na primjer, stvaranje novih vrsta qubita. Većina procesora u svijetu koristi takozvanu transmon arhitekturu (supravodljivi naboj qubit. – Ed.). Naši kolege iz RCC-a i Laboratorija za supravodljive kvantne tehnologije MISIS, zajedno s kolegama iz MIPT-a, VNIIA naz. N.L. Dukhov i MSTU nazvani po. N.E. Bauman također rade s novim obećavajućim qubitom s visokokvalitetnim kvantnim operacijama – flaksonijem. Također istražujemo mogućnost korištenja qudita – višerazinskih kvantnih sustava koji omogućuju “gušće” kodiranje informacija. Ovaj pristup pomaže učinkovitijoj implementaciji kvantnih algoritama. Već smo pokušali upotrijebiti trorazinske qudite, takozvane qutrite, za analizu takvih fizičkih pojava kao što su fazni prijelazi.
Za koje područje kvantne tehnologije mislite da će doživjeti najveći razvoj u bliskoj budućnosti?
“Možemo pretpostaviti da ćemo u sklopu razvoja postojećih platformi uskoro vidjeti ograničenja skaliranja. Još nije jasno jesu li te granice temeljne prirode i koliko se dalje može pomaknuti, ali je jasno da su potrebne nove ideje. Jedan od njih je stvaranje mreža međusobno povezanih kvantnih procesora. Ovaj pristup je obećavajući za sve fizičke platforme kvantnog računalstva, stoga vjerujem da nas očekuju sjajni znanstveni i praktični rezultati u tom smjeru. Rusija je usvojila dvije mape puta – o kvantnom računalstvu i kvantnim komunikacijama. Aktivno smo uključeni u realizaciju oba. Navedeni cilj plana kvantnog računalstva je skaliranje kvantnih procesora povećanjem broja qubita i kvalitete kvantnih operacija. Jedan od alata za postizanje toga mogao bi biti kvantni internet.
