Nauka

Największa rewolucja tego stulecia? Komputer kwantowy kontra rzeczywistość

AL
Albert Lewandowski
8

Nikt nie wie co dokładnie przyniesie przyszłość. Obecnie jesteśmy zafascynowani rosnącą mocą obliczeniową w smartfonach, które nosimy cały czas przy sobie, a liczne głosy powtarzają, że kolejny ogromny zysk wydajności przyjdzie wraz z komputerami kwantowymi. Na czym jednak one polegają i czy obecnie możemy je gdzieś wykorzystać?

Fizyka u podstaw

W klasycznym komputerze bity, czyli podstawowe jednostki informacji, mogą przyjmować tylko dwie wartości: 0 albo 1. Odpowiadają im dwa z elementarnych układów tworzących mikroprocesor i są to różne napięcia na tranzystorach, które z kolei tworzą bramki logiczne. Jakiekolwiek obliczenia opierają się właśnie na manipulowaniu stanami tranzystorów.

W komputerze kwantowym musimy porzucić tak prosty stan. Dowolne dane nie są reprezentowane przez dwustanowe wartości napięcia, ale stan kwantowy układu, gdzie bit jest zastąpiony przez kubit. Można się również spotkać z nazwami bit kwantowy lub, wprost z angielskiego, qubit. Kubit stanowi tu superpozycję klasycznego zera i jedynki, co da się w skrócie określić, że przyjmuje po części wartość 0 i po części 1 w jednym momencie.

Do czego można to porównać? Najlepiej to zobrazuje krótki eksperyment z monetą. Z jednej strony mamy orzełka, z drugiej reszkę. Podrzucając monetę, możemy być pewni, że spadnie ona na jedną ze stron i będziemy widzieć albo orzełka albo reszkę. Taka sytuacja to idealna alegoria bita.

Z kolei w przypadku jej ponownego podrzucenia nie pokażemy już, na którą stronę spadła, i przez to nie jesteśmy w stanie do końca określić, która strona jest u góry, a która na dole. Prawdziwym byłoby określenie, że równie prawdopodobne jest pojawienie się tam orzełka, co reszki, więc można uznać, że obie opcje są realne w tym momencie. Taki eksperyment myślowy może nieco pomóc w zrozumieniu zawiłej specyfiki kubita.

Warto w tym miejscu napisać co nieco na temat różnicy w wydajności obliczeniowej. Dwa klasyczne bity przechowują maksymalnie jedną z czterech możliwych wartości (00 => 0, 01 => 1, 10 => 2 lub 11 => 3), podczas gdy dwa kubity są w stanie pomieścić cztery wartości. Przy 8 kubitach mówimy już o 64, przy 16 – o 256, a przy 32 – o 1024. Siła kwantowego komputera polega na tym, że kubit może być częściowo w każdej z tych kombinacji, przypisując jej pewną liczbę zespoloną.

W tym właśnie tkwi największa przewaga komputera kwantowego nad klasycznym i to umożliwia mu być szybszym w wykonywaniu wielu zadań równoległych, gdzie zwykły sprzęt po prostu sobie nie poradzi równie szybko.

Jak świat jest widziany przez komputer kwantowy? Kubit stanowi superopozycję 0 i 1, co rozumiemy jako ukazanie prawdopodobieństwa na to, że jest w stanie 0 i na to, że jest w stanie 1, a ich suma wynosi 1 (100%). Dokładny wynik obliczeń takiego układu najczęściej nie może być pewny. Z racji na tą cechę wykonuje się serię obliczeń i dopiero po uśrednieniu otrzymanych wyników można podjąć się próby określenie prawidłowego wyniku działania.

Kubit, a komputer kwantowy

Kubit to elementarna część większej całości. Jego zbiór tworzy rejestr kwantowany i ten może występować jako jeden układ, złożony z wielu. Dane z rejestru są przetwarzane przez obwody kwantowe, które składają się m.in. z kwantowych bramek. Tyle teorii, bo obecnie mamy do czynienia z różnymi technologiami i każda firma chwali obraną przez siebie ścieżkę rozwoju.

Co jednak stoi na przeszkodzie do popularyzacji komputerów kwantowych? Warto przybliżyć termin dekoherencji kwantowej. Jest to proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem i można to zrozumieć jako utratę informacji o układzie wskutek tego oddziaływania. Co gorsza, im więcej kubitów w rejestrze kwantowym, tym szybciej ulegają one dekoherencji, a właśnie od liczby kubitów zależy wprost możliwości komputera. Z tego względu każde urządzenie z układem kwantowym musi być całkowicie odizolowane od otoczenia. Ciekawostką jest to, że temperatura wewnątrz musi być utrzymywana na poziomie prawie zera całkowitego (w przypadku IBM Q mówimy o temperaturze wynoszącej zaledwie 0,001 Kelwina, czyli -273,149 °C).

Sporym utrudnieniem jest fakt, że pomiar stanu obiektu kwantowego zmienia go i możemy stracić wynik obliczeń. Rozwiązaniem pozostaje wykorzystanie splątania kwantowego. W tym przypadku informacje o dwóch kubitach są ze sobą łączone, aby uzyskać dane o ich stanie. W dodatku pozwala to  na przeprowadzanie takich operacji, ale uzyskiwanie superpozycji nie należy do prostych zadań.

Było o utrudnieniach fizycznych, teraz czas na kłopot natury oprogramowania. Aby móc realnie wykorzystać komputer kwantowy, musimy stworzyć odpowiednią aplikację i tu ponownie dostrzeżemy różnicę względem klasycznych sprzętów. Mianowicie takie oprogramowanie musi uwzględniać zasady mechaniki kwantowej, np. kwantowego splątania czy superpozycji, a same wbudowane w nie algorytmy bazować będą na rozkładzie prawdopodobieństwa i jego zmianie.

Należy w tym miejscu wyróżnić najbardziej znane algorytmy, wykorzystujące mechanikę kwantową. Na pierwszym miejscu wśród popularności stoi algorytm Shora, służący do rozkładu ogromnych liczb na liczby pierwsze. Na drugim sklasyfikowałbym algorytm Grovera, opracowany do szybkiego przeszukiwania bazy danych.

Ciekawym przykładem zastosowania programowania kwantowego można zaobserwować w problemie komiwojażera. Zadanie to polega na tym, że tytułowy komiwojażer musi odwiedzić określoną liczbę miast, a podróż między dwoma konkretnymi zajmuje dokładną liczbę czasu, odległości i kosztów. Zadaniem komputera jest wyznaczenie optymalnej trasy. Przykładowe opracowanie można zobaczyć pod tym linkiem: http://www.solvequantum.com/

Zastosowania w życiu codziennym

Komputery kwantowe mogą służyć jako wydajne narzędzie do opracowywania zupełnie nowych rozwiązań. Jednym z ciekawszych zastosowań może być symulacja struktury molekuł, aby sprawdzić jak one reagują i odpowiadają, a to wszystko w celu opracowania nowego lekarstwa. Branża medyczna może najwięcej zyskać na takich sprzętach.

Również sektor finansowy sprawdza już korzyści, jakie może zapewnić im komputer kwantowy. Szczególnie przyda się on przy zapewnianiu coraz to wyższego poziomu bezpieczeństwa, ponieważ algorytmy kwantowe mogą być znacznie bardziej zaawansowane. Wspomina się tu też o kwantowym blockchainie. Jednocześnie w dłuższej perspektywie taka technologia pozwoliłaby bankom na użycie bardziej rozbudowanej sztucznej inteligencji do podejmowania decyzji i oceny ryzyka na rynku, co może przynieść ogromne zyski.

Komputery kwantowe są sprawdzane nawet przez firmy motoryzacyjne. Volkswagen Group ogłosiło nawiązanie współpracy z Google, aby przy wykorzystaniu tego rozwiązania stworzyć aplikację do optymalizacji ruchu. Firmy planuję także zbadać, jak mogą zostać poprawione baterie czy opracowane jeszcze bardziej wytrzymałe i lżejsze materiały do produkcji pojazdów. Na dobrą sprawę dopiero odsłaniamy całe spektrum zastosowań.

Future Talks - spotkania z przyszłością

Dodam w tym miejscu, że 27 marca 2019 roku odbyło się pierwsze spotkanie w ramach projektu Future Talks, dotyczące właśnie komputerów kwantowych. W wydarzeniu tym w roli ekspertów wzięli udział: dr hab. Magdalena Stobińska, kierownik projektu badawczego Fundacji na rzecz Nauki Polskiej „First Team” oraz Grupy Badawczej Kwantowych Technologii „QCAT” na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, oraz dr Piotr Biskupski, jeden z dwóch oficjalnych ambasadorów IBM Q w Polsce.

Samo Future Talks to jedyny w Polsce cykl prestiżowych, interdyscyplinarnych spotkań, poświęconych tematyce przyszłości, łączących fireside chat w zmodyfikowanej formie z moderowaną dyskusją, podczas której specjaliści udzielają odpowiedzi na zadane wcześniej pytania uczestników. Projekt zrodził się z fascynacji jego twórców możliwościami, jakie dają innowacyjne rozwiązania i nowoczesne technologie w połączeniu z ludzką inteligencją, ale równocześnie z refleksji nad potencjałem sztucznej inteligencji i automatyzacji coraz większej ilości dziedzin życia.  Motywacją do stworzenia Future Talks była również chęć edukacji w tematyce rozwoju poprzez innowacje oraz przygotowania się na zmiany powodowane stałym rozwojem technologii i nauki.

Ostatnio, 31 maja 2019, odbyło się natomiast spotkanie poświęcone biznesowym i prawnym aspektom sztucznej inteligencji. Natomiast pod koniec tego miesiąca, 28 czerwca 2019 odbędzie się kolejne wydarzenie, tym razem skupione wokół tematu Biotechnologia, nowoczesna medycyna, a aspekty etyczne. Więcej informacji znajdziecie na stronie projektu: http://futuretalks.pl/.

Wywiad ze specjalistą - co tak naprawdę oznacza dla nas komputer kwantowy?

W ramach lepszego opracowania tematu postanowiłem jeszcze przeprowadzić interesujący wywiad z Adamem Glosem, który zawodowo zajmuje się kwantowymi obliczeniami.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że Adam Glos jest laureatem programu START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

W jakim okresie możemy liczyć na dopracowanie idei komputerów kwantowych? Jak postępują prace nad ich rozwojem w Polsce?

.

.

W Polsce obecnie nie ma planów budowy kwantowych komputerów, jednak są prężne ośrodki, które analizują ich potencjał. W szczególności można wskazać duże grupy naukowe w Gliwicach, Krakowie, Warszawie oraz Gdańsku. Tutaj warto wspomnieć o projekcie TEAM-NET o wartości 17 mln zł, w ramach którego badacze z Gliwic, Krakowa i Warszawy wspomogą rozwój obliczeń kwantowych. Ponadto firmy z Warszawy (BOHR∞) i Krakowa (BEIT) również próbują wykorzystać potencjał kwantowych komputerów. Warto podkreślić, że możliwy jest zdalny dostęp do kwantowych komputerów, na przykład od firm IBM czy D-Wave, więc nawet bez polskiego komputera kwantowego możemy analizować i wykorzystywać kwantowe technologie.

.

Jak bardzo komputer kwantowy różni się od konwencjonalnego?

.

.

!

Czy gdzieś obecnie możemy spotkać się z realnym zastosowaniem komputera kwantowego?

.

.

Jakie są najważniejsze możliwości i korzyści komputerów kwantowych?

.

.

Czy ograniczenia obecnych komputerów kwantowych, np. konieczność utrzymywania ich temperatury w okolicach zera bezwzględnego, zostaną kiedyś pokonane?

.

.

Czy komputery kwantowe mają szansę trafić kiedyś do domów? Czy w ogóle miałoby to sens?

.

.

Czy aktualnie komputery kwantowe nie stały się jedynie kolejnym buzz wordem?

.

e.

Komputer kwantowy - rewolucja na wyciągnięcie ręki

Jestem ciekaw, co Wy sądzicie o komputerach kwantowych.

Dajcie również znać, czy chcecie zobaczyć na Antywebie więcej artykułów i wywiadów poświęconych najnowszym technologiom i zgłębianiu ich najważniejszych tajemnic.

Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu

Więcej na tematy: