Od teorije do primjene: Kako kvantni kompjuteri mijenjaju svijet

Kvantni kompjuteri, nekada ograničeni na akademska istraživanja i teorijske modele, danas predstavljaju jednu od najrevolucionarnijih tehnoloških inovacija s potencijalom da redefinišu granice kompjuterske moći. Ulaskom u novu eru ubrzanog tehnološkog napretka, kvantna tehnologija otključava rješenja za probleme koji su donedavno smatrani nerješivim, nudeći mogućnosti koje nadmašuju čak i najmoćnije klasične superkompjutere.

Godina 2024. označila je prekretnicu u razvoju kvantnih kompjutera, s ključnim inovacijama u stabilnosti hardvera, ispravljanju kvantnih grešaka i razvoju prvih konkretnih slučajeva praktične upotrebe. Inovacije su dovele do toga da se kvantni kompjuteri sve više pomjeraju iz eksperimentalne sfere ka komercijalnoj održivosti, pri čemu se velika pažnja posvećuje optimizaciji algoritama i razvoju hibridnih sistema koji kombinuju klasične i kvantne arhitekture.

Samo u 2024. godini, globalna ulaganja u kvantne tehnologije premašila su 1,5 milijardi dolara, dok je značajan zamah donijela i odluka Ujedinjenih nacija da 2025. proglasi Međunarodnom godinom kvantne nauke i tehnologije, dodatno osnažujući globalne inicijative i saradnju u ovom domenu.

Kvantni kompjuteri već sada transformišu industrije poput finansija, farmacije, medicine, nauke o materijalima, logistike i mnogih drugih, omogućavajući napredne simulacije molekularnih struktura, optimizaciju finansijskih portfolija i revolucionarna rješenja u oblasti enkripcije i cyber sigurnosti. Prije 124 godine, Max Planck postavio je temelje kvantne teorije, otvarajući put revolucionarnim otkrićima. Ono što je nekada pripadalo isključivo domenu naučne fantastike, danas, u 2025. godini, postaje stvarnost kroz niz izvanrednih dostignuća u kvantnoj tehnologiji.

Nedžad Pirić

U globalnoj utrci za dominaciju u kvantnoj tehnologiji, Sjedinjene Američke Države i Kina se izdvajaju kao vodeće sile. Kina prednjači u razvoju kvantnih komunikacija i kvantnog interneta, dok SAD zadržava primat u razvoju kvantnih kompjutera, sa značajnim investicijama privatnog sektora i podrškom vladinih institucija.

Prema izvještaju McKinseyja iz 2022. godine, Kina prednjači u svijetu po javnom finansiranju kvantne tehnologije sa 15,3 milijarde dolara - osam puta više od ulaganja američke vlade (1,9 milijardi dolara) i dvostruko više od ukupnih ulaganja svih zemalja članica EU (7,2 milijarde dolara). Važno je istaći da je od 2. januara 2025. stupilo na snagu novo pravilo o kvantnoj tehnologiji američkog Ministarstva finansija, koje zabranjuje američkim pojedincima i kompanijama da ulažu i razvijaju napredne tehnologije u Kini, uključujući kvantnu tehnologiju.

Šta su kvantni kompjuteri i zašto su važni?

Kvantni kompjuteri predstavljaju revolucionarnu tehnologiju koja ima potencijal da radikalno promijeni način rješavanja najsloženijih problema u nauci, industriji i svakodnevnom životu. Za razliku od klasičnih kompjutera, kvantni kompjuteri ne samo da donose dramatično drugačiji pristup obradi informacija, već i redefinišu fundamentalne kompjuterske paradigme. Da bismo razumjeli njegovu moć, potrebno je sagledati četiri ključna koncepta: superpoziciju, zapetljanost, dekoherenciju i interferenciju.

• Superpozicija: Za razliku od klasičnih bitova koji mogu biti ili 0 ili 1, kubit može istovremeno biti u obje vrijednosti, čime se omogućava paralelna obrada ogromnog broja mogućih rješenja. Zamislite novčić koji se okreće u zraku – dok ne padne, ne znamo hoće li biti „pismo“ ili „glava“. Na sličan način kubit u superpoziciji predstavlja kombinaciju svih mogućih stanja, stvarajući višedimenzionalni računarski prostor u kojem kvantni kompjuteri istovremeno analiziraju mnoštvo varijanti.

• Zapetljanost: Jedan od najfascinantnijih fenomena kvantne mehanike je zapetljanost (isprepletenost). Kada su dva kubita zapetljana, njihova stanja postaju međusobno zavisna, bez obzira na udaljenost koja ih dijeli. To znači da promjena jednog kubita trenutno utiče na stanje drugog, čak i ako su razdvojeni hiljadama kilometara. Ova osobina omogućava kvantnim kompjuterima da rješavaju probleme koji zahtijevaju složenu koordinaciju i simultanu obradu podataka.

• Dekoherencija: Kvantni sistemi su izuzetno osjetljivi na vanjske smetnje, poput toplote ili elektromagnetnih polja. Takve interferencije mogu uzrokovati dekoherenciju, što znači da kubiti gube svoja kvantna svojstva i „kolabiraju“ u klasično stanje (0 ili 1), što dovodi do gubitka podataka i pogrešnih rezultata. Upravo zbog toga se istražuju tehnike kvantne korekcije grešaka, koje imaju ključnu ulogu u razvoju stabilnih i pouzdanih kvantnih kompjutera.

• Interferencija: U kvantnoj mehanici, vjerovatnoće se ponašaju kao talasi koji mogu interferirati – pojačavajući ili poništavajući određene ishode. Kvantni algoritmi koriste interferenciju kako bi „pojačali“ tačna rješenja i eliminisali pogrešna, čime se značajno poboljšava preciznost računanja i efikasnost obrade podataka.

Klasični kompjuter bi koristio algoritme za planiranje ruta dostave, ali kako broj mogućih kombinacija raste, pronalazak optimalne rute postaje izuzetno zahtjevan zadatak. Klasični kompjuter mora uspoređivati rješenja jedno po jedno, koristeći puno kompjuterske snage i vremena kako bi pronašao najbolju moguću rutu. Zahvaljujući superpoziciji i isprepletenosti, kvantni kompjuter može istovremeno analizirati veliki broj mogućih ruta i pronaći optimalno rješenje mnogo brže. Ovakve optimizacije značajno smanjuju sve vrste logističkih troškova, poboljšavaju efikasnost i unapređuju korisničko iskustvo.

Lideri i inovacije u industriji kvantnih kompjutera

Industrija kvantnih kompjutera ulazi u novu eru brzog razvoja, s vodećim tehnološkim kompanijama koje nastoje prevazići ključne izazove poput skalabilnosti, ispravljanja grešaka i integracije kvantnih sistema u stvarne primjene.

IBM ostaje pionir u razvoju kvantnih kompjuterskih sistema, posebno kroz svoj otvoreni softverski okvir Qiskit, koji omogućava istraživačima i kompanijama eksperimentisanje s kvantnim algoritmima. Ključna prekretnica IBM-ove strategije je njihova ambiciozna mapa puta, koja predviđa izgradnju kvantnog sistema od 100.000 kubita do 2033. godine. Trenutni fokus je na hibridnoj kvantno-klasičnoj integraciji, čime se omogućava kombinacija klasičnih i kvantnih metoda za složene primjene poput otkrivanja novih lijekova i razvoja naprednih materijala. Njihov najnoviji Heron procesor sa 156 kubita donosi dvostruko veći kapacitet u odnosu na prethodne modele, smanjujući vrijeme izvođenja simulacija sa 112 sati na samo 2,2 sata.

Depositphotos

Google je 9. decembra 2024. godine objavio da je njegov kvantni čip, nazvan Willow, izveo standardno benchmark izračunavanje za manje od pet minuta, za koje bi jednom od današnjih najbržih superkompjutera trebalo 10 septiliona (to jeste 1025) godina – broj koji znatno premašuje starost univerzuma. Googleov kvantni kompjuter Bristlecone 2 sa 144 kubita i napredni sistem ispravljanja grešaka pomoću površinskog koda označavaju njihov put ka postizanju kvantne nadmoći. Googleova ključna inovacija dolazi kroz primjenu vještačke inteligencije u otkrivanju i korekciji grešaka, gdje modeli zasnovani na transformatorima omogućavaju autonomno prepoznavanje anomalija u kvantnim procesima. Navedena tehnologija će igrati ključnu ulogu u poboljšanju stabilnosti i pouzdanosti kvantnih kompjutera, što je trenutno jedan od najvećih izazova u industriji.

Microsoft, kroz Azure Quantum platformu, razvija logičke kubit sisteme dostupne u oblaku, čime omogućava poslovnim korisnicima eksperimentisanje s kvantnim tehnologijama bez potrebe za direktnim posjedovanjem kvantnih kompjutera. Partnerstvom s kompanijama Quantinuum i Atom Computing, Microsoft se fokusira na smanjenje stope grešaka, što je postignuto kroz 24 logička kubita i primjenu neutralnih atomskih arhitektura. Napredak u softveru za ispravljanje grešaka rezultirao je četverostrukim smanjenjem grešaka, što značajno povećava pouzdanost kvantnih kompjutera za praktične primjene.

Kako bi kvantni kompjuteri postali zaista korisni u realnim primjenama, ispravljanje grešaka i rješavanje problema dekoherencije ostaju ključni izazovi. Kompanija poput QuEra je postigla prekretnicu u januaru 2024. kreiranjem logičkog kubita koristeći samo 8 fizičkih kubita, što je značajno smanjenje troškova u poređenju s tradicionalnim metodama. Alice & Bob uvode "cat qubits" koji minimiziraju šum, dok Nord Quantique koristi tehnike odbijanja fotona, čime je postignuto 14 posto poboljšanje pouzdanosti kvantnih operacija.

 

Praktične primjene kvantnih kompjutera

Iako kvantni kompjuteri još nisu široko rasprostranjeni, već danas se koriste u specifičnim industrijama za rješavanje kompleksnih problema. U finansijskom sektoru, JPMorgan Chase koristi kvantne algoritme za otkrivanje finansijskih prevara i optimizaciju strategija trgovanja, dok Citigroup kroz Amazon Braket platformu testira metode optimizacije portfelja. Klinika u Clevelandu koristi IBM-ov Heron procesor za simulaciju molekularnih veza sa ciljem ubrzanja razvoja novih lijekova, skraćujući procese koji su ranije trajali godinama. U logistici i optimizaciji poslovanja, D-Waveov Advantage2 procesor sa 4.400 kubita omogućava optimizaciju transportnih ruta 25.000 puta brže nego klasični algoritmi, što pomaže kompanijama poput Walmarta u smanjenju troškova isporuke.

Izazovi za razvoj kvantnih kompjutera

Uprkos enormnom napretku u razvoju kvantne tehnologije, postoje značajne i veoma zahtjevne barijere. Jedan od prvih izazova predstavlja skalabilnost. Trenutni sistemi zahtijevaju milione fizičkih kubita za toleranciju grešaka, što predstavlja ogroman izazov za arhitekture poput supravodljivih kola. Nedostatak radne snage ogleda se u enormnoj potražnji za stručnjacima kvantnih kompjutera koje se pokušavaju riješiti  inicijativama kao što su IBM-ov Quantum Educator Program i Microsoftov Quantum Network.

Kao i kod svih digitalnih tehnologija, neizbježni su sigurnosni rizici. Najveći sigurnosni izazov povezan s razvojem kvantnih kompjutera predstavlja potencijalna sposobnost kvantnih kompjutera da dešifruju trenutne metode šifriranja, posebno RSA (eng. Rivest-Shamir-Adleman) i ECC (eng. Elliptic Curve Cryptography), koje se široko koriste za zaštitu osjetljivih podataka u online komunikacijama, bankarstvu, državnim institucijama i vojnoj industriji. Zašto je ovo problem? Postojeći sigurnosni sistemi oslanjaju se na činjenicu da bi klasičnim kopjuterima bile potrebne hiljade godina da razbiju šifrovane podatke. Kvantni kompjuteri bi, pomoću Shorovog algoritma, mogli dešifrovati RSA ili ECC u roku od nekoliko sati ili čak minuta, čime postojeća kriptografija postaje zastarjela.

Postoje dvije vrste opasnosti:

• Napad "snimi sada, dešifruj kasnije" – Napadači mogu već danas presretati i skladištiti šifrirane podatke u nadi da će ih moći dešifrovati kada kvantni kompjuteri postanu dovoljno snažni.

• Sigurnost digitalnih potpisa i autentifikacije – Kvantni kompjuteri bi mogli ugroziti digitalne potpise koji se koriste za verifikaciju autentičnosti dokumenata i softverskih ažuriranja, što bi omogućilo lažiranje identiteta i širenje malicioznog softvera.

Kako bi se zaštitili od navedenih prijetnji, naučnici i organizacije poput NIST-a (eng. National Institute of Standards and Technology) rade na razvoju postkvantne kriptografije, koja koristi matematičke principe otporne na kvantne napade. Također, kvantna kriptografija, poput kvantne distribucije ključeva (eng. QKD – Quantum Key Distribution), može omogućiti apsolutno sigurnu komunikaciju koristeći principe kvantne mehanike.

Budućnost kvantnih kompjutera oblikovat će radikalne promjene u različitim industrijama, transformirajući način na koji rješavamo kompleksne probleme u nauci, ekonomiji, medicini i cyber sigurnosti. Trenutno su kvantni kompjuteri još u fazi eksperimentalnog razvoja, s tehnološkim izazovima poput kvantne dekoherencije i skalabilnosti, ali rapidan napredak u kvantnim procesorima i optimizaciji algoritama ukazuje na to da ćemo u narednim decenijama svjedočiti njihovoj komercijalizaciji i širem usvajanju.

Depositphotos

Ključni napredak dolazi kroz poboljšanje kvantnih bitova (qubita), gdje se koriste različiti pristupi poput supravodljivih qubita, ion trap tehnologije i topoloških kvantnih kompjutera, pri čemu kompanije poput Googlea, IBM-a i D-Wavea već demonstriraju kvantnu nadmoć za specifične zadatke. Kada kvantni kompjuteri dostignu prag stabilnosti i dovoljnog broja qubita, mogli bi revolucionirati optimizacione probleme u logistici, omogućiti modeliranje molekularnih interakcija s neviđenom preciznošću u farmaceutskoj industriji, te razbiti trenutno neprobojne enkripcije, čime bi postali ključni akter u geopolitičkoj ravnoteži moći.

Dugoročno gledano, integracija kvantnih i klasičnih kompjutera kroz hibridne arhitekture omogućit će organizacijama da iskoriste kvantne algoritme za specifične zadatke, dok će razvoj kvantnog interneta, zasnovanog na kvantnoj teleportaciji i kvantnoj distribuciji ključeva (QKD), otvoriti put ka potpuno novom načinu komunikacije koji će biti gotovo imun na presretanje i manipulaciju podacima. Kvantna revolucija više nije daleka vizija – ona se odvija danas. Kako se hardver stabilizuje, algoritmi unapređuju, a industrije usvajaju hibridna rješenja, kvantni kompjuteri su spremni da redefinišu rješavanje problema u različitim domenima. Međutim, uspjeh zavisi o rješavanju etičkih dilema, podsticanju talenata i održavanju globalne saradnje. Za poslovni sektor, poruka je jasna: Inovirajte ili rizikujte zastarjelost. Kvantna era je tu, a njen potencijal je ograničen samo našom ambicijom da ga iskoristimo.

 

Nedžad Pirić je ekspert za digitalizaciju. 

Sadržaj, stavovi i mišljenja izneseni u komentarima objavljenim na Bloomberg Adriji pripadaju autoru i ne predstavljaju nužno stavove uredništva Bloomberg Adrije.