komputer kwantowy
8

Największa rewolucja tego stulecia? Komputer kwantowy kontra rzeczywistość

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.

komputer kwantowy

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.

komputer kwantowy

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.

komputer kwantowy

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.

komputer kwantowy

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.

komputer kwantowy

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?

Odpowiedź na pierwsze pytanie ściśle zależy od punktu widzenia osoby, do której jest ono skierowane. Na ten moment pojawiają się komputery kwantowe z coraz większą liczbą kubitów, jednak ciągle problemem są interakcje ze środowiskiem zewnętrznym. Trudno przez to wskazać jednoznacznie czas, po którym będą dostępne wystarczająco duże komputery kwantowe. Co prawda cały czas słychać z różnych źródeł różne daty, po których „z pewnością” kwantowe komputery będą już użytkowalne, należy mieć świadomość, że precyzyjne daty to raczej pobożne życzenie twórców niż faktyczny plan.

Mimo wszystko wydaje się, że w ciągu najbliższych kilku lat będzie można z powodzeniem wykorzystać komputery kwantowe w chemii kwantowej. Na wykorzystanie komputerów do typowych problemów spotykanych w informatyce trzeba będzie z pewnością jeszcze poczekać.

komputer kwantowy

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.

Na sam koniec wspomnę o serwisie informacyjnym Quantiki założonym przez badaczy z Polski i Wielkiej Brytanii, w której można znaleźć najświeższe informacje dotyczące spotkań, stanowisk oraz grup powiązanych z kwantowymi obliczeniami.

Jak bardzo komputer kwantowy różni się od konwencjonalnego?

Różnic między tymi komputerami jest sporo. Należy podkreślić, że wszystko, co można wykonać na kwantowym komputerze, da się również wykonać na komputerze konwencjonalnym i vice versa. Jednak niektóre operacje, bardzo trudne do wykonania na komputerze konwencjonalnym, są bardzo naturalne dla komputera kwantowego. Powodem jest m.in. inna reprezentacja danych. Na klasycznym komputerze najmniejszą jednostką pamięci jest bit, który może przyjmować wartości zero bądź jeden. W przypadku kwantowych komputerów najmniejszą jednostką jest kubit, który może być jednocześnie zerem i jedynką, lub będąc bardziej precyzyjnym (i poprawnym), jest w superpozycji zera i jedynki. Dzięki temu zachodzi efekt kwantowego zrównoleglenia, czyli wykonywania obliczeń na ogromnej liczbie przypadków jednocześnie.

komputer kwantowy

Należy jednak mieć świadomość, że kwantowy paralelizm jest czymś innym niż równoległe obliczenia wykonywane konwencjonalnie. Problemem jest odczyt wyników: w przypadku klasycznego komputera możemy w dowolnym momencie wyświetlić aktualną wartość bitu. W przypadku kwantowych komputerów odczyt kubitu może spowodować zmianę jego wartości, więc częste wykonywanie pomiarów uniemożliwia wykorzystanie potencjału kwantowych komputerów. Powoduje to również to, że choć obliczenia wykonujemy na wielu danych jednocześnie, to z reguły możemy wyciągnąć jedynie fragment informacji z próbki. Obrazowo, jeśli mamy dużą próbkę danych, raczej nie będziemy chcieli wykorzystać komputera kwantowego do wykonania elementarnych operacji na wszystkich próbkach, jak na przykład podwojenie każdej liczby, z kolei wyznaczenie średniej tych liczb wydaje się być dla komputera kwantowego bardzo naturalnym zadaniem.

Należy podkreślić, że kwantowy paralelizm to nie jedyna możliwość wykorzystania komputera kwantowego. Warto tutaj wspomnieć o „kwantowym wyżarzaniu” wykorzystywanym przez firmę D-Wave. Choć ich urządzenia nie mogą wykorzystać pełni możliwości kwantowych komputerów, to ciągle u podstawy ich działania leży mechanika kwantowa, a to właśnie o nią tutaj chodzi!

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

Obecne uniwersalne komputery kwantowe są zbyt małe i zbyt niestabilne, aby można było stosować je do większości praktycznych problemów. Choć cały czas są podejmowane próby wykonywania obliczeń na kwantowych komputerach, to rezultaty są ciągle niezadowalające względem tego, co możemy uzyskać przy pomocy komputerów klasycznych.

komputer kwantowy

Najciekawszą chyba próbą jest wykorzystanie urządzenia D-Wave’a do stworzenia systemu analizy ruchu drogowego dla firm taksówkarskich przez firmę Volkswagen. Należy jednak jeszcze raz podkreślić, że to urządzenie nie jest uniwersalnym kwantowym komputerem, przez to jego stosowalność również będzie mniejsza.

Jakie są najważniejsze możliwości i korzyści komputerów kwantowych?

Gdyby zadać to pytanie jeszcze 20 lat temu, entuzjaści odpowiedzieliby że komputery kwantowe „już niedługo” złamią popularne obecnie kryptosystemy, przykładowo te oparte na RSA. Wszystko za sprawą algorytmu Shora, który w teorii umożliwia szybkie rozkładanie liczb złożonych na czynniki pierwsze, co obecnie jest uważane za zadanie bardzo trudne dla klasycznych komputerów.

komputer kwantowy

Obecnie nie tylko nie jest oczywiste kiedy uda się ten algorytm zaprojektować, ale czy będzie to w ogóle możliwe. Wszystko właśnie przez trudności technologiczne, na które obecni konstruktorzy komputerów kwantowych ciągle natrafiają. Dlatego obecnie mówi się raczej o zastosowaniach komputerów kwantowych do problemów dla nich odpowiednich. W szczególności można tutaj wymienić kwantowe uczenie maszynowe, rozwiązywanie problemów optymalizacyjnych bądź projektowania leków oraz materiałów. W naturalny sposób wiedzę tę będzie można wykorzystać w chemii, ekonomii i informatyce. Patrząc na wspomniany wcześniej przykład z firmami taksówkarskimi, moglibyśmy spodziewać się wydajniejszych i tańszych usług.

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

Wyróżniłbym dwie kategorie ograniczeń komputerów kwantowych. Krytycznym ograniczeniem jest niewielka liczba kubitów i problem z wykonywaniem długich obliczeń kwantowych – aby mówić o praktycznym wykorzystaniu komputerów kwantowych, ważna jest próba przynajmniej osłabienia tych ograniczeń. Jako badacz analizujący kwantowe komputery mogę jedynie mieć nadzieję, że rzeczywiście to będzie miało miejsce, choć obecnie można zaobserwować ciekawy trend wykorzystujący nawet tak ograniczone komputery kwantowe.

Drugorzędnym problemem są ograniczenia ograniczające rozpowszechnienie się technologii kwantowej – można tutaj wymienić właśnie konieczność pracy w niskiej temperaturze. Proszę jednak pamiętać, że ciągle opcją jest wykonywanie obliczeń zdalnie, więc wystarczy, że wyspecjalizowane firmy zapewnią odpowiednie warunki dla komputerów kwantowych. W takim przypadku utrzymanie niskiej temperatury czy inne ograniczenia tego typu nie będą stanowić przeszkody do wykorzystania obliczeń kwantowych.

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

Trudno w przypadku dziedziny ciągle będącej na etapie rozwoju powiedzieć, czy coś nastąpi czy nie. Myślę, że najbardziej odważną wizją jest ta, w której w każdym komputerze będzie część odpowiedzialna za obliczenia kwantowe (karta kwantowa?). Osobiście uważam to za mało prawdopodobne, a przede wszystkim niepotrzebne. Nawet teraz dużo obliczeń wykonywanych na klasycznych komputerach jest zdalnie – najprostszym przykładem jest wyszukiwanie stron przez firmę Google. I myślę, że przynajmniej przez bardzo długi czas komputery kwantowe będą własnością firm wyspecjalizowanych w technologii kwantowych, które będą umożliwiać zdalny dostęp do tych urządzeń, tak jak to ma miejsce obecnie.

komputer kwantowy

Osobiście uważam, że rozsądną granicą rozpowszechnienia się kwantowych komputerów będzie kwantowy komputer w każdej dużej firmie. Jednakże minie bardzo dużo czasu, nim taka sytuacja będzie miała miejsce, o ile kiedykolwiek ona nastąpi.

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

Komputery kwantowe rzeczywiście stały się chwytliwym hasłem. Wystarczy wspomnieć o produktach, w których często słowo „quantum” jest dorzucane bez żadnych podstaw. Jest to zjawisko dość niebezpieczne, co pokazuje choćby Pana pytanie – wiele osób zaczyna się zastanawiać, czy komputery kwantowe nie są jedynie modną rzeczą na które przepuszcza się niepotrzebnie wiele pieniędzy. To, że jest to problem potwierdza również istnienie kont weryfikujących niektóre powszechnie występujące stwierdzenia bądź opinie, takich jak Quantum Bullshit Detector w serwisie Twitter (@BullshitQuantum).

Choć zgadzam się, że komputer kwantowy jest buzz wordem, to głęboko wierzę, że nie jest jedynie buzz wordem, i myślę że mówię to też w imieniu wielu naukowców, polskich czy zagranicznych. Choć nikt nie może uczciwie obiecać, że komputery kwantowe z pewnością kiedyś pojawią się i będą rzeczywiście biały praktyczne zastosowanie, to większość z badaczy głęboko wierzy, znajdując oparcie w obecnym rozwoju tej dziedziny, że ta wizja się urzeczywistni, i co więcej aktywnie wspomaga jej urzeczywistnieniu.

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.