Kvantno računalstvo je vrsta računalstva koja koristi pravila kvantne fizike za obradu informacija na načine na koje klasična računala to ne mogu činiti.

Jedna od ključnih razlika je u tome što ona koriste bitove, koji mogu biti 0 ili 1, a kvantna računala rabe kubite, koji mogu biti 0, 1 ili 0 i 1 istovremeno (što se naziva superpozicijom). To svojstvo otvara mogućnosti rada i istraživanja nedostupne klasičnom računalu.

Također, kubite je moguće povezati, što znači da je stanje jednog kubita povezano s drugim, čak i kad su udaljeni jedan od drugog, a to omogućuje iznimno koordinirane operacije s kojima se klasična računala također ne mogu mjeriti.

Teoretski, to bi moglo otvoriti put napretku u, primjerice, simuliranju molekula za otkrivanje lijekova, optimizaciji složenih sustava (promet, financije, logistika), rastavljanju velikih brojeva na faktore (važno za kriptografiju), rješavanje određenih zadataka umjetne inteligencije i strojnog učenja...

Ali ona neće uskoro zamijeniti vaše osobno računalo. Pitanje je hoće li ikad.

Nema kvantne supremacije

'O kvantnom računalu piše se u superlativima i prezentu, kao da već postoji, i to kako u medijima, tako čak i u stručnim znanstvenim člancima. No kvantno računalo samo je naziv, a stvarni stroj nema nikakve veze s računalima u uobičajenom značenju. Riječ je o uređaju koji bi mogao relativno brzo doći do rješenja vrlo malog skupa odabranih zadataka (možda njih pet ili šest).

Međutim kvantno računalo ne može zbrojiti dva broja, a kamoli svirati glazbu ili prikazivati video', rekao je tportalu Mario Stipčević, voditelj Laboratorija za fotoniku i kvantnu optiku pri Centru za izvrsnost za napredne materijale i senzore Instituta Ruđer Bošković.

Iako se na njima radi već četrdesetak godina, kvantna računala koja bi bilo moguće upotrijebiti u praktične svrhe i dalje ostaju nedostižnima. 'Tzv. kvantna supremacija, koja je preplavila medije posljednjih šest, sedam godina, nije ništa doli matematička akrobacija za koju su i sami autori izjavili da ne služi ničemu', upozorio je Stipčević.

Najveća slabost - nepreciznost

Problem je u tome što je kvantno računalo - osim pri upisu i očitanju digitalnih podataka - ustvari analogno računalo. To znači da njegovi elementi (kubiti) i operacije nad njima (logička vrata) moraju biti vrlo precizni da bi ono moglo konkurirati današnjim digitalnim računalima.

'Nepreciznost im je najveća slabost. Iako se dio te nepreciznosti može riješiti popravcima, neke komponente nepreciznosti - poput šuma ili kalibracije - za sada uopće nije moguće riješiti. Zbog toga kvantna računala danas mogu riješiti samo vrlo jednostavne zadatke, od kojih nema praktične koristi', istaknuo je Stipčević.

Također, često ih se u javnosti percipira kao višestruko brža nego analogna. To nije posve netočno, ali treba imati na umu da ih je moguće primijeniti na vrlo mali broj problema koje treba riješiti. Njihova glavna prednost trebalo bi biti to što bi pojedine zadatke mogla rješavati puno brže nego klasična digitalna računala. Ali ni to nije bez ograničenja.

'Nažalost, čak i teorijski, broj i raznovrsnost poznatih algoritama za brzo rješavanje specifičnih zadataka je vrlo mali. Čak i kada bismo imali savršeno fizičko kvantno računalo, od njega bi korist trenutno bila vrlo ograničena zbog malog broja poznatih matematičkih problema koje bi ono moglo riješiti brže od digitalnog računala', naglasio je Stipčević.

U pojedinim segmentima njihova primjena mogla bi biti dvosjekli mač. Primjerice, najveći pomaci temeljem korištenja kvantnih računala mogli bi biti ostvareni u razbijanju sadašnjih kriptografskih sustava, zbog čega bi svijet mogao postati nesigurniji nego što je danas.

'Sve je to, rekao bih, prije popis želja nego nešto što bi bilo doista dohvatljivo kvantnim računalom. Za neke od tih zadataka nedostaje računalne preciznosti, a za neke treba previše memorije', ocijenio je Stipčević.

'Moglo bi se i odustati od cijele te ideje'

Razvojem kvantnih tehnologija bavi se više tvrtki i organizacija, među kojima su Google, Microsoft, NASA... Predvodi ih IBM jer trenutno ima najprecizniju tehnologiju izrade čipova. Ali i oni su nedavno revidirali svoj plan za kvantna računala s milijun kubita do 2030. godine na svega nekoliko stotina, tvrdeći da je bolje napraviti preciznije kubite nego velike količine potpuno neupotrebljivih.

'A i u tome su zapeli. Ne vjerujem da će itko demonstrirati isplativu spravu barem sljedeća dva desetljeća, ako se u međuvremenu i ne odustane od cijele te ideje', skeptičan je Stipčević.

Ako imate tehnologiju koja ne daje nikakve rezultate desetljećima, kao što je ovdje slučaj, onda je vrlo nezahvalno davati prognoze, dodao je. 'Sutra se može dogoditi nevjerojatno otkriće o kojem nitko ni ne sanja, a možda se sljedećih sto godina ama baš ništa ne dogodi. Ako ste ulagač, bježite od kvantnih računala. Ako ste voljni kockati se, navalite', poručio je Stipčević.

Europa želi biti kvantna sila. Može li?

Europska komisija predstavila je u srpnju ove godine Europsku kvantnu strategiju, kojom cilja postati globalnom predvodnicom u području kvantne tehnologije.

No Stipčević je skeptičan oko toga može li Hrvatska držati korak s Europom, a Unija sa svijetom. 'Suočeni smo s krizom nedostatka interesa za studij fizike i odljevom mladih obrazovanih ljudi. Nemamo ni kritičnu masu ni financijsku bazu za ovako zahtjevan i skup pravac istraživanja.

Nažalost, ni u Europi nije bolje. Ako djetetu tutnete mobitel u ruke prije nego što prohoda, a potom ga obaspete tisućama epizoda besmislenih serija, to je odgoj dijametralno suprotan onome koji bi potaknuo znatiželju, samostalno propitkivanje, istraživanje, rješavanje i zaključivanje', poručio je Stipčević.

EU planira pokrenuti Europsku akademiju za kvantne vještine

Iako je Europa na prvom mjestu po broju znanstvenih publikacija i stručnjaka za kvantne tehnologije, privlači samo oko pet posto globalnih privatnih ulaganja u njih. Trenutno se na razini Europske unije aktivno raspravlja o tome kako poboljšati suradnju akademske zajednice i industrije u području istraživačke obuke, međusektorske mobilnosti i objedinjavanja resursa.

Bitan element tog cilja je i utvrditi kako javne politike mogu potaknuti učinkovitu suradnju između različitih istraživačkih sektora u prioritetnim područjima da bi se prepoznale potrebe i razvili kapaciteti na način koji koristi svima i poštuje njihove različite uloge.

Radi se na multidisciplinarnom pristupu tome kako poboljšati koordinaciju među ključnim akterima javnog sektora (kreatora politika, financijera istraživanja, pružatelja istraživačkih usluga) i drugim dionicima u identificiranju potreba te razvoju i brizi o potrebnim kapacitetima tijekom vremena.

Strategija predviđa i uspostavu virtualne Europske akademije za kvantne vještine (European Quantum Skills Academy), a ona će nuditi magistarske i doktorske programe te programe mobilnosti za stručnjake.

Gdje je tu Hrvatska?

Razvoj kvantnih vještina ključan je za ispunjavanje predviđenog porasta visokokvalificiranih radnih mjesta u kvantnom sektoru do 2040. godine.

Za stvaranje kvantno spremnog društva i odgovarajuće radne snage bit će potrebno koordinirano obrazovanje, obuka i mobilnost talenata diljem Unije, u rasponu od osnovnih i srednjih škola, preko sveučilišta, pa sve do radnog okruženja i javnosti općenito.

A gdje je tu Hrvatska? Iako sudjelujemo u nizu inicijativa EU-a, nalazimo se u istoj startnoj poziciji kao i ostatak Europe: s puno ambicija, ograničenim resursima i manjkom stručnjaka. Sveučilišni računski centar (SRCE) je u okviru projekta CroQCI - koji se bavi područjem kvantne komunikacijske infrastrukture - između ostalog zadužen za izvedbu radnog paketa posvećenog obrazovanju.

Cilj je popularizirati kvantne tehnologije, prenijeti stečena znanja i iskustva, educirati studente te općenito podići svijest o potrebi za bolje zaštićenim komunikacijama i strožom kibernetičkom sigurnosti u nadolazećoj kvantnoj eri.

U projektu kao partneri sudjeluju i Hrvatska akademska i istraživačka mreža CARNET, Institut Ruđer Bošković, Fakultet elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu, Fakultet prometnih znanosti Sveučilišta u Zagrebu, Institut za fiziku, tvrtka Odašiljači i veze i Ured Vijeća za nacionalnu sigurnost.

Za potrebe projekta Srce je izradilo virtualno okruženje za pristup tečajevima online te u suradnji s partnerima objavljuje obrazovne sadržaje. Obrazovnim aktivnostima u obliku webinara, tečajeva online, predavanja i obilazaka laboratorija bit će obrađeno trinaest tema iz područja kvantnih tehnologija prilagođenih različitoj publici (šira javnost, profesori, studenti, istraživači...).

Prioritet: Sigurnost

Hrvatska je članica Zajedničkog poduzeća za europsko računalstvo visokih performansi (EuroHPC JU), pa svi hrvatski istraživači imaju pravo pristupa njegovim resursima. Pristup se ostvaruje putem periodičkih poziva na koji se mogu prijaviti istraživači - oni rade na javnim visokim učilištima ili institutima, ali i djelatnici iz javne uprave ili privatnih tvrtki.

EuroHPC JU je financirao izgradnju osam kvantnih računala u okviru projekta HPCQS (kratica za High Performance Computer and Quantum Simulator Hybrid) te je svako od njih povezano sa superračunalom koje omogućava validaciju rezultata dobivenih na kvantnom računalu.

Uspostava svih ovih računala još je u tijeku, a potom je planirano omogućavanje pristupa na način sličan kao i za klasična superračunala, kažu iz Srca.

Koje vrste istraživanja i industrije u Hrvatskoj bi prve mogle koristiti kvantne resurse? Prioritet će, čini se, dobiti područje sigurnosti, odnosno učinkovito 'razbijanje' široko korištenih asimetričnih kriptografskih algoritama. Upravo se zbog ove primjene, ističu u Srcu, intenzivno radi i na izgradnji kvantno sigurne komunikacijske infrastrukture.

Vjera u budućnost

Najveći izazov pri razvoju računala i superračunala s kvantnom tehnologijom je to što traže izradu potpuno novih algoritama i računalnih ekosustava: programskih jezika, prevodioca, programskih knjižnica. Također, ona su iznimno osjetljiva i podložna greškama, što zahtijeva izradu učinkovitih mehanizama za oporavak.

'Svi ovi izazovi razlog su zbog kojih se kvantna računala neće još tako brzo ukazati u produkcijskoj primjeni. Ali ona su među top temama u svijetu superračunarstva. Brojni timovi istraživača u svijetu rade na uklanjanju problema i uspostavi prvih produkcijskih sustava koji će se moći natjecati s najmoćnijim superračunalima koja imamo danas', poručuju iz Srca.