Inovacije iz IBM-a

Iz kompanije IBM su, u razmaku od samo nekoliko dana, stigle vesti o dve nove tehnologije koje će promeniti računare

Velika korporacija kao što je IBM ne uživa svoju reputaciju zato što njeni zaposleni sede skrštenih ruku, nego zato što se u njihovim laboratorijama neprestano radi na novim tehnologijama. Tokom druge nedelje marta, tehnofile su obradovale dve zanimljive vesti iz IBM-a. Prva je da će ta kompanija tokom 2017. godine pokrenuti cloud-servis zasnovan na univerzalnim kvantnim računarima. Druga vest je da su naučnici uspeli da u laboratorijskim uslovima naprave najefikasniji sistem za skladištenje podataka, koji jedan bit zapisuje na samo jednom atomu. Osim toga što dolaze iz iste kompanije, ovim vestima je zajedničko i to što ilustruju do kojih dimenzija je računarska tehnologija minijaturizovana. Sem toga, one najavljuju promene u načinu na koji koristimo računare, ali, mnogo bitnije, njihova primena ima potencijal da iz korena izmeni brojne aspekte ljudske delatnosti, od energetike i raznih industrijskih grana, pa sve do istraživanja svemira i razvoja veštačke inteligencije.

Atomski disk

Količina slika, audio i video-zapisa, kojim moderni čovek barata svakog dana, neprestano zahteva sve veći prostor za skladištenje podataka. Srećom, kapaciteti memorijskih medija se neprestano povećavaju, ali rezultat tog povećanja veoma sporo nalazi put do „normalnih ljudi” koji kupuju hard-diskove ili memorijske kartice. Manje popustljiv osvrt na poslednjih pet godina razvoja medija za skladištenje podataka mogao bi da nas navede na pogrešan zaključak da napretka nema i da se nalazimo u periodu stagnacije. Ipak, progres svakako postoji, samo treba dočekati komercijalnu primenu tih otkrića. Kada se to desi, primena neće značiti sumanute memorijske kapacitete u našim ličnim računarima ili smartfonima, već mogućnost za skladištenje eksponencijalno veće količine podataka u cloudu.

Pored sve minijaturizacije i povećanja kapaciteta aktuelnih hard-diskova, da bi se na njihovim pločama zapisao jedan bit potrebna je magnetizacija oko 100.000 atoma. Ova veličina garantuje brzinu zapisivanja i iščitavanja podataka, kao i njihovu dugoročnu postojanost. U IBM-u su nedavno otišli do ekstrema napravivši sistem koji jedan bit zapisuje u jedan atom.

Ovo nije prvi memorijski sistem koji podatke zapisuje na nivou pojedinačnog atoma. Sredinom prošle godine, istraživači sa Univerziteta tehnologije u Delftu u Južnoj Holandiji napravili su sistem koji pomera atome hlora po bakarnoj površini, i tako pravi prostorne nizove koji mogu da se čitaju elektronskim mikroskopom. Glavni problem ovog memorijskog medija je njegova stabilnost. Naime, da bi atomi bakra i hlora mogli da ostanu u svom lepo organizovanom stanju, medij mora da bude u vakuumu i na temperaturi od 77 Kelvina.

Dok u Delftu zapisuju podatak položajem atoma, IBM-ov sistem zapisuje informaciju u samom atomu. Kako je to moguće? Ova tehnologija koristi atome holmijuma na podlozi od magnezijum-oksida. Holmijum je, na ovom sićušnom nivou, sa svojih dvesta pikometara relativno veliki atom, ali mnogo bitnije je da ima veliki broj neuparenih elektrona i u osnovi je magnet, kojim možemo da manipulišemo. Kada se postavi na magnezijum-oksid, holmijum ispoljava takozvanu magnetnu bistabilnost – ima dva stabilna stanja, koja se razlikuju samo po magnetnom spinu. Koristeći skenirajući tunelski mikroskop (uređaj koji je nastao pre više od tri decenije, takođe u laboratorijama IBM-a), istraživači su u stanju da željeni atom holmijuma pogode strujom od 150 milivolti na deset mikroampera i promene mu spin. Pošto se provodljivost holmijuma menja u zavisnosti od spina i njegov otpor može da se izmeri strujom od samo 75 milivolti, moguće je čitanje informacije sa atoma bez njenog menjanja. Kao potvrda da sistem funkcioniše, uz atome holmijuma postavljani su atomi gvožđa koji reaguju na svoje magnetno okruženje i merenjem njihovog stanja je dobijen identični rezultat.

Šta ovo znači za memoriju danas? Ne mnogo, jer se radi „samo” o eksperimentu u strogo kontrolisanim uslovima i veoma je teško zamisliti prenosni skenirajući tunelski mikroskop u računaru ili telefonu. Ipak, u dogledno vreme treba očekivati komercijalne sisteme za skladištenje velike količine podataka zasnovane na ovoj tehnologiji, jer nekoliko hiljada puta veća gustina zapisa nije mala stvar. Čak i da je potencijalni novi „hard-disk” glomazna skalamerija koja funkcioniše u vakuumu i na niskim temperaturama, svakako će biti manji od aktuelnih skladišta sa stotinama hiljada hard-diskova.

Kjubit

Drugi deo priče vezan je za kvantne kompjutere, koji su, po mišljenu brojnih stručnjaka, budućnost u razvoju računara. Po čemu su to kvantni kompjuteri tako bitni i posebni? Razlog se krije iza načina na koji se podaci obrađuju. Konvencionalni računari zasnovani su na binarnoj logici nula i jedinica, koja je u procesorima predstavljena tranzistorima koji mogu da propuštaju struju ili ne. Specifične kombinacije tranzistora formiraju logičke kapije koje daju karakterističan izlazni strujni signal. Kombinovanjem signala velikog broja kapija i ciklusa ponavljanja unutar procesora dobijamo željenu obradu unetih podataka. U kvantnim računarima situacija je kudikamo drugačija, jer se sistem zasniva na principima kvantne mehanike, grane fizike koja se bavi sićušnim česticama i energijama na atomskom i subatomskom nivou. Kvantni pandan bitovima su, prigodno nazvani, kvantni bitovi ili kjubiti (engl. quantum bit – qubit). Za razliku od konvencionalnih bitova, koji mogu da imaju vrednosti 1 i 0, kjubiti mogu da imaju i sve vrednosti između ta dva broja (pa čak i obe vrednosti istovremeno), a samo se u trenutku iščitavanja kjubita njegova vrednost fiksira na nulu ili jedinicu. Umesto tranzistora, u kvantnim procesorima kjubiti mogu da se predstave na mnogo načina. Kompanije koje su pioniri na polju kvantnih računara (IBM, D-Wave, Google, Microsoft) eksperimentišu sa različitim kjubitima u potrazi za najefikasnijim kvantnim procesorom. Tako kjubit može da se predstavi, na primer, merenjem spina kvantne tačke, atomskog jezgra ili elektrona, zatim merenjem broja elektrona ili fotona, praćenjem polarizacije fotona, kao i naboja, struje i energije u superprovodničkom materijalu. Kontrola pomenutih kjubita nije jednostavna i zahteva specijalna postrojenja za hlađenje, kao i zaštitu od elektromagnetnog zračenja.

Koristeći fenomene karakteristične za kvantnu mehaniku kao što su kvantna povezanost ili superpozicija, naučnici mogu da pomoću kjubita konstruišu logičke kapije, analogne onima iz konvencionalnih računara, ali i one koje su mnogo kompleksnije, što je upravo razlog zašto se sve veći broj naučnika interesuje za kvantne računare. Ipak, izjave kao što su: „Ovaj kvantni računar je sto miliona puta brži od najbržeg superračunara,” treba uzimati sa rezervom, ili bar sa objašnjenjem njihove brzine. Kvantni računari nisu brži od konvencionalnih kompjutera, ako se obrađuju „standardni” podaci. Prednost kvantnih računara primetna je kod specifične vrste podataka, koju bi običan računar obrađivao godinama ili vekovima. Kvantni računar u stanju je da veoma brzo dobije rezultat koji nije konačno rešenje problema, već predstavlja dodatne parametre koji se onda prosleđuju u konvencionalni kompjuter i konačni rezultat se dobija za nekoliko sati.

Kakvi su to podaci koji potpuno blokiraju današnje superračunare, a nisu problem za kvantne kompjutere? Jedna od direktnih sfera primene bila bi simulacija kompleksnih hemijskih procesa, ali na kvantnom nivou. U IBM-u slikovito objašnjavaju da je za preciznu kvantnu simulaciju energija subatomskih čestica jednog poznatog molekula od samo dvadeset četiri atoma – kofeina (C₈H₁₀N₄O₂), ne bi bio dovoljan konvencionalni računar sa brojem tranzistora većim od broja atoma u našoj galaksiji (oko 10⁶⁸). Za pravu simulaciju kompleksnih molekula i otkrivanje novih katalizatora, lekova i materijala, neophodni su kvantni računari. Dodatna primena bila bi i superbrza pretraga ogromnih baza podataka, kao i neizostavna kriptologija – razbijanje postojećih šifri, odnosno pravljenje naprednih sistema za bezbednost. Na kraju, tu je i ubrzana obrada obilja sirovih podataka iz najrazličitijih izvora, kao što je, na primer, sa brojnih teleskopskih sistema koji posmatraju dubine svemira.

IBM Q

Dva dana pre objave da su u stanju da zapisuju podatke u pojedinačne atome, iz IBM-a su najavili da ove godine pokreću servis IBM Q. U pitanju je prvi komercijalno dostupan sistem zasnovan na univerzalnim kvantnim računarima. Naglasak na ovom „univerzalni” je veoma bitan, jer su dosada „najjači” kvantni kompjuteri pravljeni sa specijalizovanim procesorima za određenu namenu, dok je cilj naučnika iz IBM-a da naprave procesor koji može da se programira za obradu bilo kog skupa podataka.

Tokom sledećih nekoliko godina, IBM će praviti nezavisne univerzalne kvantne kompjutere po narudžbini kompanija kojima je potrebna ova specijalna vrsta računara. Na ovaj potez može da se gleda kao na pokušaj da se unovči već razvijena kvantna tehnologija u postojećem stanju, ali to nije cela istina. IBM nastoji da ubrza razvoj i unapređivanje kvantnih kompjutera, pa će naučnici iz ove kompanije neprestano sarađivati sa stručnjacima iz korporacija koje kupuju IBM Q, kako bi se razvila nova generacija aplikacija i algoritama, koja na odgovarajući način koristi mogućnosti kvantnih kompjutera.

IBM Q je evolucija sistema IBM Quantum Experience, koji je od prošlog maja dostupan potpuno besplatno svima koji žele da saznaju više o kvantnim kompjuterima i pomognu u njihovom razvoju (što mogu uraditi na adresi www.research.ibm.com/ibm-q/qx/). Tokom poslednjih godinu dana, oko 40.000 korisnika obavilo je preko 275.000 eksperimenata na kvantnom računaru, koji je srce ovog projekta. U istom periodu razvijen je i novi korisnički interfejs, koji olakšava pravljenje algoritama koje korisnici žele da testiraju na kvantnom kompjuteru. Ilustrovaćemo red veličina, IBM Quantum Experience koristi kvantni kompjuter sa samo pet računarskih kjubita, dok će kompjuteri u okviru IBM Q imati oko pedeset računarskih kjubita. Namerno naglašavamo ovo „računarski” jer kada se kaže kompjuter od pet, sedam ili dvadeset kjubita, ne misli se na sve kjubite u procesoru. Univerzalni kvantni kompjuter zahteva međusobnu vezu između svaka dva računarska kjubita, a za kontrolisanje svake konekcije potrebno je još barem četrdeset osam pojedinačnih kjubita. Tako ono što se naziva „kvantni kompjuter od pedeset kjubita” zapravo ima procesor sa 58.800 kjubita. Ovo je neverovatno tehnološko dostignuće, pogotovo kada se uzme u obzir da je pre skoro tri godine procesor sa hiljadu kjubita bio nešto čemu su se naučnici optimistično nadali. Pomenuli smo da su bitni faktori za stabilizaciju ovih računara zaštita od zračenja i hlađenje. Zaštita od zračenja je bitna da bi kjubiti, koji se sami kontrolišu mikrotalasnim zračenjem, bili što postojaniji, a hlađenje, da bi se dobile superprovodničke karakteristike materijala i da bi se kjubiti održali u stabilnom stanju što duže. Zato se IBM-ovi procesori hlade gotovo do apsolutne nule i rade na temperaturama od pet do petnaest milikelvina (-273,145 °C). Dok cena jednog univerzalnog kvantnog kompjutera u programu IBM Q nije poznata, na osnovu etikete od petnaest miliona dolara koju nosi specijalizovani kvantni računar od dvadeset kjubita iz kompanije D-Wave, jasno je da IBM-ovi računari mogu samo da budu još skuplji.

• • •

Ukoliko vam kvantni računari zvuče konfuzno, ne brinite. Sam Ričard Fejnman, čiji je rad na polju kvantne fizike nagrađen Nobelovom nagradom i predstavlja teoretsku osnovu iza kvantnih računara, slavno je izjavio: „Ako mislite da razumete kvantnu mehaniku – ne razumete kvantnu mehaniku.” Dok ta šala možda važi za većinu nas koji koristimo kompjutere, desetine hiljada ljudi koji svakodnevno rade na unapređivanju ove nove vrste računara sasvim solidno barataju kvantnom fizikom i programerskim znanjem neophodnim za stvaranje algoritama. Zbog specijalnih uslova neophodnih za njihovo funkcionisanje, kvantni računari se neće (možda nikada) naći u našim domovima ili ličnim uređajima, ali, kako stvari sada stoje, za samo nekoliko godina biće dovoljno moćni da njihov rad ima direktan efekat na živote svih nas.

Dragan KOSOVAC