Krasna kvantna prihodnost

Današnja moda je kvantna. Tako imenovana kvantna tehnologija je obljubljena kot približujoča se druga kvantna revolucija. V njej bomo bojda priča vgradnji kvantnih senzorjev, komunikacijskih naprav in računalnikov v standardno opremo na vseh mogočih področjih. Te kvantne tehnologije so precizne aplikacije kvantne mehanike, se pravi manipulacije majhnega števila delcev v natančno pripravljenih stanjih, dobro izoliranih od okolice. V takih stanjih so pomembni nenavadni pojavi specifični za kvantno mehaniko. Govorimo o valovni naravi delcev, kvantni prepletenosti in tako dalje. Kvantne tehnologije bodo, ko bodo enkrat na voljo za vsakdanjo rabo, povsem spremenile naš vsakdanjik in naše dojemanje sveta. Morda bomo pridobili čisto novo raven povezanosti z naravo, tako zunanjo kot našo notranjo ...

Evropa je povsem v središču te revolucije. Kot poročajo na portalu IOP-science, so v letih od 2013 do 2015 največ znanstvenih člankov s področja kvantne fizike in tehnologij objavili prav evropski znanstveniki in znanstvenice. V programu Horizon 2020 je Evropska komisija aktivna spodbujevalka področja kvantnih tehnologij, v dokumentu z naslovom Kvantni manifest pa so pobudo podprli vodilni poslovneži. Za desetletni projekt Horizon, težak približno milijardo evrov, se v manifestu nadeja, da bo Evropo oblikoval v, parafraziramo, "moderno, dinamično in atraktivno regijo za investicije v kvantne tehnologije, povezovanje univerz z biznisi in žetje sadov teh investicij v novih inovativnih podjetjih". Ključne navedene panoge so seveda komunikacije, obramba in energetika.

Glavni ideji tu sta kvantna teleportacija, ki bi lahko omogočila popolnoma varno komunikacijo, in kvantno računalništvo, ki bi lahko dešifriralo vse ostale načine komunikacije. Razložimo najprej, na hitro, kvantno teleportacijo.

Pri kvantni teleportaciji ne gre za teleportacijo snovi kot morda v vaši najljubši znanstvenofantastični seriji, ampak samo prenos kvantnega stanja z enega delca na drugega. Postopek se zanaša na kvantno prepletenost in navidezno nelokalnost, ki je značilna za prepleten par delcev. Če namreč izvedemo meritev na enem delcu, ki tvori prepleten par, lahko v trenutku izvemo, v katerem stanju se nahaja njegov partner. Ta se lahko nahaja poljubno daleč stran, zato govorimo o nelokalnosti.

Vseeno pa nelokalnost še ne pomeni prenosa informacije. Od začetka že vemo, kakšni so lahko izidi meritve, saj smo na začetku delca pripravili skupaj. Z meritvijo torej ne izvemo ničesar novega. Do prenosa informacije pride, ko eno stanje v paru zamenjamo z drugim, ki pa na začetku še ni prepleteno. Nato izmerimo originalno stanje in informacijo po klasični informacijski liniji pošljemo partnerju, ki ima drugo polovico prepletenega para. Ta je zdaj namesto s svojim originalnim partnerjem prepletena z novim stanjem. Skupaj s klasično informacijo lahko partner reproducira tisto novo stanje, ki smo ga na začetku imeli pri sebi. Pravimo, da smo stanje teleportirali.

Mehanizem kvantne teleportacije si lahko predstavljamo tako: v izmenjavi podatkov sta prisotna dva dela - klasični in kvantni. Za prenos informacije sta potrebna oba, zato smo vseeno še vedno omejeni s svetlobno hitrostjo. Metoda je zanimiva zato, ker potencialni prisluškovalec uniči kvantni del informacije. Tako vmešavanje lahko prejemnik informacije zazna: kvantna in klasična informacija se v tem primeru ne ujemata več. Torej gre za popolnoma varno komunikacijsko linijo, na kateri prisluškovanje ni mogoče. Za to tehnologijo se zato razumljivo zanimajo vsi tisti, ki jim je v interesu tajnost in imajo zmožnost financirati raziskave. Te institucije so seveda banke in vojska.

O drugi plati zgodbe, kvantnih računalnikih, smo v znanstveni redakciji že namenili nekaj oddaj. Zaenkrat le ponovimo, zakaj so kar naenkrat zanimivi tudi za neznanstvene namene. Poleg aplikacij za optimizacijske procese je atraktiven obstoj Shorovega algoritma za razcep števil na praštevila. Na klasičnih računalnikih imajo podobni algoritmi eksponentno kompleksnost, kar pomeni, da se za zelo velika števila program izvaja nekaj let, preden izpljune rezultat. To dejstvo je osnova za varnost večine internetnih povezav.

Shorov algoritem pa ima, v nasprotju s klasičnimi, samo potenčno-logaritemsko kompleksnost. To pomeni, da bi lahko razbil sodobne šifre v le nekaj sekundah namesto v nekaj letih, če bi le imel dovolj kvantne procesorske moči. Ta se meri v številu kvantnih bitov ali qubitov, na katerih lahko računalnik izvaja programe. Z dodajanjem qUbitov procesorska moč raste eksponentno, zato bi le 51-qubitni kvantni računalnik po zmogljivosti v opravljanju specifičnih algoritmov skokovito presegel katerikoli klasični superračunalnik. S trenutno tehnologijo  magične številke 51 še ne dosegamo, vendar je težko preceniti, kakšnih prednosti bi bil deležen prvi, ki bi mu kaj takega uspelo.

Za to tehnološko lovoriko pa se ne poteguje samo Evropska unija. Njene tekmice so vodilne svetovne velesile, kot so Združene države Amerike in Kitajska. Raziskave se ne odvijajo samo znotraj univerz in javnih inštitutov. V zadnjih dvajsetih letih je vzniknilo več deset podjetij, ki si prizadevajo izdelati kvantni računalnik za komercialno rabo. Na teh napravah se verjetno ne bodo izvajali algoritmi za simuliranje kvantnih sistemov, torej algoritmi, ki so obljubljali rešitve za marsikatera znanstvena vprašanja pred cca. 40 leti. Algoritmi, zaradi katerih so kvantni računalniki sploh postali zanimivi. Algoritmi, o katerih v prej omenjenem Kvantnem manifestu seveda ni prebrati skoraj ničesar.

Podjetja, ki jim ta potencialna tehnološka revolucija najbolj diši, so seveda stari znanci, kot so IBM, Lockheed Martin in Google. Med bolj znana akterje sodi tudi kanadsko podjetje D-wave. Ime se nanaša na nosilce toka v supreprevodnikih tipa 2, ki jih uporabljajo kot qUbite v svojih vezjih. Do sedaj je podjetje uspešno razvilo do 1000-qubitne kvazikvantne računalnike, ki sicer še niso zmožni poganjati Shorovega algoritma. Uporabni pa so med drugim, tako trdijo, za preverjanje elektronske vojaške opreme, ki jo proizvaja kdo drug kot njihov poslovni partner Lockheed Martin.

Namen diskusije v tem znanstvenem komentarju naj bi bil  ilustracija skoraj banalne teze. Povejmo jo v vsej splošnosti, čeprav bi jo kot tako sicer morda morali  hitro umakniti.  Znanost ni nevtralna v svetu in pretvarjanje, da nas znanstvena metoda, znanstveni fakti in podobno vodijo k objektivnosti, je lahko škodljivo tako za položaj znanosti kot neznanosti. Pretveza znanstvenosti je že dolgo časa krinka vseh mogočih sovražnih in drugače problematičnih programov, od trenutnega trenda oporekanja antropogeni klimatski spremembi do preteklih izkušenj z evgeniko, samozvanim rasnim realizmom  in tako dalje.

Znanost se v današnji konjunkturi sooča s specifičnimi problemi, o katerih smo govorili tudi v prispevku o p-vrednosti, ti problemi pa se poznajo tudi na debelini žepov marsikaterega znanstvenika ali znanstvenice. Kako pripravno torej, da se ravno sedaj pripravljajo masovne - v resnici privatne - investicije v nove kvantne tehnologije, ki utegnejo močno vplivati na geostrateško ravnovesje moči?

V tridesetih letih je sovjetski fizik Georgij Fljorov na podlagi neobjavljanja člankov s strani svojih ameriških kolegov sklepal o obstoju tajnega programa za izdelavo jedrske bombe. Zgodovina je pokazala, da je imel prav. Po njegovem nasvetu so se s tako tehnologijo začeli ukvarjati še Rusi. Danes na tehnološke investicije ne pozivajo več samo strokovnjakinje. Podpisniki Kvantnega manifesta so tako znanstvenice kot finančni investitorji, vodilna telekomunikacijska podjetja, banke in izdelovalci orožja.

Govorili smo o prihajajoči drugi kvantni revoluciji. Prva se je končala z izdelavo atomske bombe. Kaj nam bo prinesla naslednja?

Kvantnega računalnika ne bo kupil vajenec Martín.