Odborník Martin Gmitra: TAKTO sa vieme brániť, aby nás raz neovládla umelá inteligencia!

Tento článok si môžete prečítať vďaka Eset Science Award, oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. Teoretický fyzik Martin Gmitra je finalistom ocenenia Eset Science Award v kategórii Výnimočná osobnosť slovenskej vedy, slávnostný galavečer s vyhlásením laureátov ocenenia budete môcť sledovať v sobotu 16. októbra o 20.30 na Dvojke.

Teória kvantovej mechaniky vznikla na začiatku 20. storočia a pomáha opísať vlastnosti hmoty, ktoré určujú elektróny a ich vzájomné väzby v jej atómoch. Teoretický fyzik RNDr. Martin Gmitra, PhD., ktorý pôsobí na Ústave fyzikálnych vied Univerzity Pavla Jozefa Šafárika (UPJŠ) v Košiciach, sa venuje štúdiu elektrónovej štruktúry v kvantových materiáloch, konkrétnejšie v atomárne tenkých materiáloch.

Ako vyzerá deň teoretického fyzika

Voľného času nemá Martin Gmitra veľa. „Keďže pôsobím na univerzite môj deň sa prepína medzi stavmi kedy pracujem na vedeckých projektoch alebo prednášam na magisterskom a doktorandskom stupni štúdia. To prepínanie je dosť náročné. Vyžaduje si disciplínu. A množstvo vykonanej práce je riadené podobne ako hovorí princíp neurčitosti v kvantovej fyzike – ak pri práci stratíte úplne pojem o čase, potom vás to stálo presne definované množstvo energie. Vtedy je čas na relax,“ hovorí teoretický fyzik.

Nové objavy v tejto oblasti často narúšajú predstavy, ktoré máme o fyzike ešte zo strednej školy, ale zároveň majú potenciál znova posunúť technologický pokrok ľudstva ďalej. Napríklad objav existencie takzvaných topologických izolátorov, ktoré sú vodivé zvláštnym spôsobom, možno v budúcnosti prispeje k novej generácii energeticky efektívnej elektroniky. Vďaka špecifickému usporiadaniu atómov na povrchu týchto materiálov môže prúd tiecť v tenučkej vrstve ich povrchu bez odporu. Aj toto dokáže objasniť práve kvantová mechanika.

Ako teoretický fyzik sa Martin Gmitra venuje najmä základnému výskumu, no práve ten otvára nové obzory, ako by sa dali kvantové materiály reálne využiť. „Veľmi významným a dlhodobým technologickým snom ľudstva je vytvoriť kvantový počítač,“ objasňuje Martin Gmitra a dodáva, že snaha študovať kvantové materiály je v princípe hľadaním vhodného materiálu na to, aby sme vedeli postaviť jeho jednotlivé elementy.

Kvantový počítač by mohol vykonávať náročné optimalizačné operácie či simulácie komplexných systémov. To sa dá využiť napríklad pri hľadaní nových liečiv. „Samozrejme, tie počítače už teraz existujú, ale fungujú v malom, akademickom rozmere,“ hovorí vedec, ktorého snom je dožiť sa ich praktického využitia.

Čo presne skúmate?

- Venujem sa základnému výskumu elektrónovej štruktúry atomárne tenkých materiálov. Kvantová podstata hmoty sa v týchto materiáloch prejavuje v nečakaných fázach, ktoré môžu viesť k novým efektom. Dá sa to predstaviť aj tak, že elektróny, elementárne fermionovské častice, sa v tuhých látkach kvôli vzájomnému previazaniu premenia na kvázičastice, ktoré môžu mať rôzne exotické podoby, napr. elektrón sa môže správat akoby mal nulovú hmotnosť, podobne ako majú fotóny, častice svetla, alebo v jednom mieste materiálu sa správa ako častica a v inom mieste ako antičastica. Tieto zložité kvantové stavy študujeme pomocou kvantovo-mechanických výpočtov elektrónovej štruktúry. Umožňujú nám odhaliť fascinujúce fyzikálne javy, ktoré mnohokrát protirečia našej intuícii.

Na čo to bude dobré?

- Pomocou teoretických výpočtov vieme študovať vlastnosti materiálov, ktoré nemusia zatiaľ reálne existovať. A keďže sme schopní predpovedať konkrétne fyzikálne vlastnosti pre daný kvantový systém, to samo o sebe je dobrá motivácia vyrobiť daný materiál. Dokážeme tak do istej miery cielene nasmerovať technologický rozvoj. Samotné kvantové materiály majú silný technologický potenciál a budú nachádzať uplatnenie v nových generáciách elektronických zariadení, dokonca môžu tvoriť súčasti kvantového počítača.

Podľa Vás je snom ľudstva vytvoriť kvantový počítač? Je to podľa Vás možné?

- Áno, kvantový počítač je technologickým snom budúcnosti, ktorý spája rôzne oblasti základného výskumu kvantových materiálov. Jedná sa o výskum kvantových vlastností a efektov v nových materiáloch alebo syntetických heteroštruktúrach už známych materiálov. Základný výskum stimuluje aj vývoj technologických procesov výroby týchto materiálov. To všetko sa deje s cieľom vybudovať kvantový bit, alebo qubit, ktorý bude schopný uchovať informáciu na nevyhnutný čas pokiaľ sa vykoná výpočtový proces. Toto je jedna z najťažších úloh pretože pripravený kvantový stav určený na daný výpočet je veľmi krehký a ľahko sa znehodnotí, čo voláme dekoherencia. Takže vývoj je sprevádzaný aj skepticizmom, kežde dekoherencia vnáša veľké množstvo chýb do kvantového výpočtu. No objavuje sa nová nádej a to, využiť kvázičastice ktoré nazývame anyóny (pozn. anyón je kvázičastica, ktorá ani nie je fermión ani bozón) a vytvoriť topologický kvantový počítač. Anyóny by sa využívali ako vlákna a aplikáciou matematickej teórie prepletania by tak bolo možné vytvoriť robustné logické hradlá potrebné pre samotné kvantové výpočty.

Ako by taký počítač vyzeral a čo by dokázal robiť?

- Také počítače už existujú. Napríklad ich vlastnia známe spoločnosti ako IBM, Intel, Microsoft alebo Google. Sú to dosť objemné systémy ponorené v kryostatoch a pracujú pri extrémne nízkych teplotách. Majú nateraz rádovo len niekoľko desiatok qubitov. Takže ich momentálne výpočtové možnosti nie sú kompetitívne s klasickými počítačmi. Kvantový počítač zatiaľ nemá ambíciu úplne nahradiť klasické počítače, skôr cieľom jeho použitia sú špecifické optimalizačné úlohy, kryptografické úlohy, analýza dát alebo simulácie, napríklad chemických procesov pri hľadaní nových liečiv. To by dokázal robiť skutočne oveľa rýchlejšie.

Akú úlohu podľa Vás zohrajú počítače v budúcnosti?

- Tažko veštiť z kvantovej gule :). Počítače sa už teraz dostávajú do pozície elementov v globálnej sieti – internetu vecí. Prostredníctvom počítačov zrejme budeme čoraz viac a viac prepojení.

Mohli by sa naplniť katastrofické scenáre niektorých filmov, že by nás umelá inteligencia mohla ovládnuť?

- Máme vedomosti, že už jednoduché prepojenia v systémoch tzv. celulárnych automatov dokážu vytvoriť samoorganizovane spontánne komplexné stavy. Komplexnosť vzájomného prepojenia medzi internetom vecí určite dodá umelej inteligencii významný stupeň voľnosti. Bude určite nevyhnutné rozpoznať spôsoby jej správania. Samozrejme, že sa vieme chrániť „ohnivou stenou“ (z angl. firewall) a katastrofické scenáre ostanú pre hrdinov filmov.

Spolupráca so svetovými vedcami

Martin Gmitra študoval fyziku na UPJŠ v Košiciach. Po obhájení dizertačnej práce absolvoval počas 13 rokov množstvo zahraničných pobytov, ktoré mali zásadný vplyv na jeho vedeckú kariéru, napríklad v Česku, Poľsku či Nemecku. Vďaka tomu mal možnosť spolupracovať so svetovými kapacitami vo fyzike, akými sú profesori Jozef Barnaś, Jaroslav Fabian či Albert Fert, držiteľ Nobelovej ceny za fyziku v roku 2007. Svojím výskumom prispel k objasneniu či overeniu viacerých fyzikálnych javov a teórií.