18

Komputery kwantowe, jaki wpływ będą miały na nasze życie?

Poza nazwą komputery kwantowe mają niewiele wspólnego z komputerami używanymi przez nas każdego dnia, ponieważ ich działanie opiera się na fizyce kwantowej.

Dziwny jest ten świat (kwantowy)

Po przeczytaniu pierwszego zdania wiele osób pewnie zamknęło w strachu i pośpiechu tę stronę. Tych jednak, którzy mają jednak nieco większy głód wiedzy i nie boją się pobrudzić swoich zwojów mózgowych odrobiną wysiłku umysłowego, zapraszam do dalszej lektury.

Świat fizyki kwantowej jest miejscem, gdzie zachodzą zjawiska tak dziwne i abstrakcyjne, że większość ludzi omija tę dziedzinę szerokim łukiem. No cóż, nikt nie mówił, że wszystko w naszym wszechświecie jest proste i daje się łatwo wytłumaczyć. Warto jednak mieć na uwadze, że wszystko, co nas otacza, a także my sami na poziomie atomowym, jest zbudowane i funkcjonuje właśnie według reguł tego dziwnego świata mechaniki kwantowej.

Oprócz tego, że jest dziwny i niezrozumiały to jeszcze opiera się na rachunku prawdopodobieństwa. Większość rzeczy w mechanice kwantowej jak na przykład położenie elektronu w przestrzeni na orbicie atomu da się określić jedynie z pewnym prawdopodobieństwem. To z kolei prowadzi do wniosku, że taki elektron może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie, z pewnym prawdopodobieństwem. Żeby było jeszcze dziwniej elektron, którego wyobrażamy sobie jako mikro cząstkę, może zachowywać się jednocześnie jako obiekt punktowy, na przykład pocisk wystrzelony z broni, oraz jako fala rozchodząca się w przestrzeni, jak na przykład fale na wodzie po wrzuceniu do niej kamienia, a to wszystko zależnie czy dokonujemy obserwacji (pomiaru), czy też nie. Co stanowi słynny eksperyment Younga.

Za odkrycie, dlaczego tak jest, czeka na Was nagroda Nobla. Nikt tak naprawdę jeszcze nie odkrył wszystkich tajemnic, jakie kryje świat kwantowy, nawet Albert Einstein. Jakby tego było mało, w mechanice kwantowej istnieje zjawisko splątania kwantowego. W zjawisku tym dwie cząstki, na przykład nasze elektrony, zachowują się dokładnie tak samo, jak można powiedzieć, posiadają taką samą informację, oddalone od siebie teoretycznie na dowolną odległość. Co stanowi podstawę teoretyczną do teleportacji, o której to jak sądzę, na pewno wszyscy słyszeli. Fenomen ten ma również zastosowanie właśnie w działaniu komputerów kwantowych.

Poniżej komputer kwantowy IBM Q na targach CES 2020

Komputer kwantowy, z czym to się je?

No ale do brzegu, bo o ile kogoś to może zainteresowało, a mam nadzieję, że choć trochę zadziałało na Waszą wyobraźnię, to reszta pewnie już przysypia. W klasycznym komputerze rolę nośnika informacji nosi bit, który może przyjmować dwie wartości 1 oraz 0. W komputerze kwantowym nośnikiem informacji jest kubit, czyli kwantowy bit. Jednak w niczym nie przypomina on zwykłego bitu, ponieważ za jego funkcjonowanie odpowiada fizyka kwantowa. Fizycznie kubit może być reprezentowany przez dowolny układ kwantowy o dwóch różnych stanach bazowych, na przykład spinu elektronu. Elektron może mieć spin do dołu lub do góry, co możemy sobie wyobrażać jako wirujące wokół swojej osi kulki, które mogą się obracać w lewo lub prawo. Kubit stanowi superpozycją zera i jedynki, co oznacza, że z pewnym prawdopodobieństwem znajduje się w stanie zero i z pewnym prawdopodobieństwem w stanie jeden.

Kubity takie są łączone w większe rejestry kwantowe, na których można przeprowadzać bardziej złożone obliczenia. Dane z tych rejestrów, są następnie przetwarzane przez specjalne kwantowe bramki, tworząc tak zwane obwody kwantowe. Pierwszy problem, który trzeba pokonać, aby taki komputer powstał to możliwość dokonywania pomiaru jego stanu, czyli informacji, jakie zawiera. Pomiar w świecie kwantowym wpływa na stan układu, jak w doświadczeniu Younga, i zmienia jego superpozycję. Aby to przezwyciężyć, wykorzystuje się wspomniane już splątanie kwantowe, gdzie dzięki pomiarowi jednej cząstki nie niszczy się superpozycji drugiej.

Splątanie kwantowe jest jednak bardzo trudne do uzyskania. Wymaga to absolutnego odizolowania takich układów od warunków zewnętrznych, a także temperatur bliskich zeru bezwzględnemu, czyli -273 stopni Celsjusza. Dlatego właśnie tak dziwnie wyglądające konstrukcje komputerów kwantowych, które stanowią konstrukcyjnie bardzo skomplikowane chłodziarki, w których umieszczane są obwody kwantowe. Poza tym na drodze stoi jeszcze zjawisko dekoherencji, czyli utraty informacji kubitu na skutek oddziaływania z otoczeniem. Co gorsza, problem ulega pogłębieniu wraz ze wzrostem ilości kubitów w rejestrze kwantowym, a w końcu to jego wielkość decyduje o możliwościach obliczeniowych takiego komputera. Błędy, jakie to wszystko powoduje, wymagają wielokrotnego powtarzania obliczeń i wyciągania z nich średniej.

Poniżej IBM 7. Jest to siedmio kubitowy komputer kwantowy, który IBM wykorzystało w 2017 roku do prac nad strukturą molekularną wodorku berylu (BeH2).

Zobacz również: Największa rewolucja tego stulecia? Komputer kwantowy kontra rzeczywistość

Skoro już jesteśmy przy możliwościach komputerów kwantowych, to co tak naprawdę mają nam one do zaoferowania? Otóż klasyczny komputer wykonuje obliczenia w sposób sekwencyjny jedno po drugim. Komputer kwantowy zaś wykonuje o wiele większą ilość obliczeń w jednym kroku, przez co szybkość obliczeń znacznie wzrasta. Podczas gdy dwa bity informacji mogą przechowywać jedną z czterech wartości naraz, dwa kubity mogą przechowywać wszystkie cztery wartości naraz. Z ilością kubitów ilość informacji zwiększa się wykładniczo 2^n (dwa do potęgi n), gdzie n oznacza ilość kubitów. Przy trzystu kubitach dochodzimy do wartości większej niż ilość atomów we wszechświecie(!).

Kolejnym problemem jest kwestia stworzenia algorytmów i oprogramowania dla takiego komputera. W związku z tak dużymi możliwościami współbieżnych obliczeń proces ten można wręcz uznać za karkołomny. Do tej pory stworzono kilka algorytmów dla komputerów kwantowych, z których najbardziej znany jest algorytm Shora z 1994 roku, polegający na rozkładzie dużych liczb na liczby pierwsze co stanowi podstawę systemu kryptograficznego RSA. Działanie tego algorytmu na komputerze kwantowym pozwoliłoby bardzo szybko zdeszyfrować takie dane, co konwencjonalnym komputerom zajęłoby kilkaset lat obliczeń. Drugim również znanym jest algorytm Grovera opracowany w 1996 roku, pozwalający bardzo szybko przeszukiwać bazy danych.

Co przyniesie przyszłość?

Naukowcy z różnych firm i laboratoriów budują obwody kwantowe w różnych technologiach i wykorzystując różne zjawiska i odkrycia z dziedziny fizyki kwantowej. Problemy, które muszą oni rozwiązać, nie są jednak i jeszcze zapewne długo nie będą trywialne. W kwantowym wyścigu biorą udział takie firmy jak IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon, IonQ, Quantum Circuits, Rigetti Computing a ostatnio nawet Honeywell. IBM otworzyło nawet swoje podwoje, udostępniając możliwość skorzystania ze swojego oprogramowania i komputerów kwantowych za pomocą chmury. Dwa największe obecnie komputery należą do IBM oraz Goolge. Obydwa zawierają 53 kubity, co zbliża te firmy do kwantowej supremacji (Quantum supremacy), czyli osiągnięcia potencjału obliczeniowego przewyższającego największe obecnie istniejące superkomputery. Naukowcy z Nature szacują, że czas potrzebny superkomputerom do tych samych obliczeń, które wspomniany 53 kubitowy komputer kwantowy wykona w 200 sekund, wyniósłby 10 000 lat, choć IBM twierdzi, że wystarczyłoby około 2,5 dnia, co i tak jest około 1000 razy szybciej.

Sporą kontrowersję budzi w świecie komputerów kwantowych firma D-Wave, której obwody kwantowe sięgają już zawrotnych wartości 2000 kubitów. Jej jednostki są jednak zoptymalizowane do wąskiej dziedziny obliczeń i przez sporą część naukowców nie są uznawane za komputery kwantowe ogólnego przeznaczenia.

Poniżej zawierająca 2000 kubitów jednostka obliczeniowa komputera kwantowego firmy D-Wave.

Zobacz również: Google coraz bliżej kwantowej supremacji, to może być rewolucja na miarę tranzystora

Co więc przyniesie nam kwantowa przyszłość? Poza łamaniem istniejących systemów kryptograficznych komputery kwantowe mogą posłużyć do budowy nowych szyfrów opartych na zasadach mechaniki kwantowej. Tym razem byłyby nie do złamania, bo wymagałoby to obalenia zasad całej fizyki kwantowej. To, co wyróżnia komputery kwantowe to właśnie możliwość przeprowadzania obliczeń z dziedzin, które opierają się w swojej budowie na fizyce kwantowej. Dotyczy to na przykład badań nad nowymi lekami i materiałami, co dla klasycznych komputerów jest zadaniem bardzo żmudnym i długotrwałym. Również wspomniana teleportacja, a przynajmniej przesyłanie w ten szybki sposób na dużą odległość informacji mogą być początkiem ery nowego internetu, jakiego dziś nie znamy. Być może, jak przedstawiają to twórcy serialu „Devs”, kiedyś będziemy w stanie stworzyć w komputerach kwantowych wierne odwzorowanie całej rzeczywistości, w której żyjemy. A może już jesteśmy w takiej symulacji?