Komputery kwantowe - czym są i do czego służą?

Już od kilku dekad komputery są częścią naszej codzienności, a w ostatnich latach coraz więcej aspektów naszego życia – od bankowości poprzez pracę, a na rozrywce skończywszy –rozwijane jest za pośrednictwem komputerów osobistych.

Obecne komputery są jednak nadal mocno ograniczone, dlatego od dłuższego czasu naukowcy szukają sposobu na to, jak zbudować komputer kwantowy, który operowałby nie na zasadzie zero-jedynkowej, ale na mechanice kwantowej. Taki komputer byłby o wiele szybszy i oferował o wiele więcej możliwości do rozwoju nauki i bezpieczeństwa.

Nieograniczone możliwości kwantów

Mechanika kwantowa opisuje zjawiska w świecie mikroskopowym, ale też bierze pod uwagę to, jak postrzegamy rzeczywistość. Na podstawie fizyki kwantowej jesteśmy w stanie przewidzieć wiele zjawisk we wszechświecie – nowe pierwiastki i molekuły o określonych właściwościach oraz wydarzenia w kosmosie. To właśnie w ramach fizyki i mechaniki kwantowej powstała teoria względności, a także eksperyment myślowy o kocie Schrödingera, który może być jednocześnie żywy lub martwy.

Współczesne komputery mają ogromną moc obliczeniową, daleko bardziej rozwiniętą niż ich prekursorzy w laboratorium Turinga. Niemniej jednak jest wiele obliczeń, których nie są one w stanie wykonać, a przynajmniej nie w czasie, który nie przekraczałby kilku tysięcy lat. Takimi obliczeniami są chociażby symulacje działania molekuł nowych leków, szybsze wysyłanie informacji czy skomplikowane szyfrowanie kwantowe.

Obecnie komputery działają na najmniejszych jednostkach informacji zwanych bitami, które mogą mieć wartość 1 lub 0. W dużej mierze ograniczenia wynikają z tego, że obliczenia w klasycznych komputerach wykonywane są w systemie binarnym (gdzie wartość 1 oznacza, że prąd płynie, a wartość 0 – że nie płynie). Każda czynność, każda litera, każda cyfra jest przetwarzana na język zerojedynkowy i tworzy nieraz bardzo długie ciągi zer i jedynek. Te zaś zajmują ogromne ilości miejsca na dyskach.

Dlatego właśnie od kilkudziesięciu lat zaczęto rozwijać koncept komputera kwantowego, który w obliczeniach korzystałby nie z systemu binarnego, tylko z mechaniki kwantowej. Komputery kwantowe będą działać na kubitach, czyli kwantowym odpowiedniku bitów – jednostki wielkości elektronów, fotonów lub jąder atomów.

Zwykle sposób działania takiego komputera wyjaśnia się w taki sposób: kiedy rzuca się monetą, może wyjść orzeł albo reszka, natomiast w przypadku komputera kwantowego moneta jest w ciągłym ruchu, a co za tym idzie – poza orłem i reszką są jeszcze stany pomiędzy nimi. Takie rozwiązanie nosi nazwę superpozycji i znacznie zwiększyłoby wydajność komputera – zamiast ciągu zer i jedynek mielibyśmy do dyspozycji całe spektrum znaków, a zajmowane przez nie miejsce na dysku byłoby o wiele mniejsze.

Jak zbudować komputer kwantowy?

Możliwość stworzenia komputerów wykorzystujących mechanikę kwantową po raz pierwszy była rozpatrywana w latach osiemdziesiątych. Pierwszy mówił o tym Paul Benioff, ale podstawy teoretyczne zostały utworzone przez Davida Deutscha z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Poważne zainteresowanie komputerami kwantowymi pojawiło się jednak dopiero w 1994 roku za sprawą Petera Shora, który stworzył algorytm mogący szybko rozkładać duże liczby na iloczyny liczb pierwszych (ów algorytm mógł zostać wykorzystany w komputerach kwantowych). Rok później zaś w Kalifornijskim Instytucie Technologii przeprowadzono pierwsze kwantowe obliczenia z wykorzystaniem atomu cezu. O komputerach kwantowych wypowiadał się również noblista Richard Feyman.

W 1996 roku Lov K. Glover przedstawił algorytm kwantowy, który miał być wykorzystany w komputerach kwantowych. Algorytm Glovera związany jest z przeszukiwaniem baz danych w celu znalezienia konkretnego, wyróżniającego się elementu.

Eksperymenty z komputerami kwantowymi były przeprowadzane od początku XXI wieku, a ostatnio zrobiło się o nich głośno za sprawą Google’a, który ogłosił, że udało mu się doprowadzić do kwantowej supremacji – momentu, w którym komputer kwantowy wykonywałby skomplikowane obliczenia szybciej niż tradycyjny.

Czy jednak komputery kwantowe już wkrótce zrewolucjonizują naszą technologię? Przyjrzyjmy się trzem przykładom firm, które szczycą się postępem w tej dziedzinie.

IBM i Uniwersytet Stanford

IBM Almaden Rearch Center przeprowadził w 2001 roku wraz z naukowcami z Laboratorium Stanów Stałych i Fotoniki Uniwersytetu w Stanfordzie prezentację 7-kubitowego komputera kwantowego. Komputer działał na zasadzie rezonansu magnetycznego i użył algorytmu Shora, aby wykonać faktoryzację (rozłożenia na czynniki) liczby 15 na 3 i 5. W dziesięć lat później udało się przeprowadzić podobny rozkład liczby 21.

D-Wave Systems

Firma D-Wave Systems może pochwalić się tym, że w 2007 roku zademonstrowała 123-kubitowy komputer z tak zwanym rejestrem kwantowym, który osiągnął koherencję 16 kubitów… jednakże zaprezentowano tylko jego sposób działania, a nie budowę. To nastręczało kilku powodów do sceptycyzmu – nie było wiadomo, czy D-Wave System zaprezentowało prawdziwy komputer kwantowy, czy też może klasyczny komputer udający komputer kwantowy; oraz czy rzeczywiście zademonstrowano wielki przełom w komputerach kwantowych.

W 2011 roku komputer D-Wave System został zakupiony przez firmę Lockheed Martin, która zamierzała go nie tylko używać, lecz także opracować do niego algorytmy. Rok później firma zaprezentowała – wraz z Alánem Aspuru-Guzikiem i Alejandro Perdomo-Ortizem z Uniwersytetu w Harvardzie – możliwość odnalezienia najniższej konfiguracji energii zwijającej się proteiny białka.

Przez kolejne lata D-Wave System i Lockheed Martin zdobywali kolejne sukcesy w dziedzinie tworzenia komputerów kwantowych. W styczniu 2012 roku 84-kubitowy komputer przeprowadził najbardziej skomplikowane obliczenie kwantowe do tej pory, obliczając kilka liczb Ramseya (związanych z teorią grafów). W kwietniu naukowcy z Uniwersytetu w Południowej Kalifornii i Uniwersytetu Kalifornii – Daniel Lidar, Zhihui Wang i David Awschalom – zademonstrowali 2-kubitowy komputer kwantowy zbudowany na bazie diamentu (co miało zapobiec zakłóceniom dźwiękowym), który był zgodny z algorytmem Glovera w 95% przypadków. W tym samym miesiącu D-Wave ogłosiło, że stworzyło czip Vesuvius, który mógłby przeprowadzić nawet 10³⁸ obliczeń na raz – coś, co zwykłemu komputerowi miałoby zabrać milion lat.

Od 2014 roku trwają jednak debaty nad tym, czy można nazwać komputery D-Wave Systems kwantowymi. Przeprowadzano liczne testy mające wykazać, czy jest jakaś różnica między komputerami klasycznymi a urządzeniami D-Wave i do tej pory na firmę spadły liczne słowa krytyki – głównie chodziło o to, że przechwałki D-Wave są nieco na wyrost i że w sumie działania ich komputerów nie różnią się w postępach aż tak bardzo od komputerów tradycyjnych. Sama firma odpowiada, że to testy przeprowadzone przez badaczy nie zawierały odpowiednio zaawansowanych problemów, aby można było dostrzec różnicę w działaniu ich komputera.

Google

W zasadzie od dłuższego czasu wiele firm i instytucji próbuje zbudować własny komputer kwantowy, a jedną z tych firm jest Google. W 2019 roku magnat internetowy oświadczył, że ich komputer kwantowy dokonał kwantowej supremacji. Urządzenie zostało zbudowane przez zespół inżynierów Quantum AI Lab i zawiera 54-kubitowy procesor Sycamore. Google przeprowadziło dwa eksperymenty:

Najpierw komputer Google zweryfikował, czy wygenerowany przypadkowo zerojedynkowy ciąg cyfr jest naprawdę przypadkowy. Urządzenie sprawdziło to w przeciągu 3 minut i 20 sekund, co jest o tyle imponujące, że komputer klasyczny o najpotężniejszej do tej pory mocy obliczeniowej – IBM Summit – musi poświęcić na to samo zadanie dwa i pół dnia.

Następnie Google przeprowadził symulację konfiguracji atomu diazenu (związku składającego się z dwóch atomów azotu, do których dołączone są z kolei dwa atomy wodoru). Chodziło o to, aby określić energię wiązania wodoru w kolejnych, coraz większych łańcuchach, co dla konwencjonalnych komputerów uważa się za niemożliwe. Komputer kwantowy Google wykonał szybkie obliczenia z pomocą 12 z 53 kubitów.

Jeszcze inna demonstracja siły komputera kwantowego Google polegała na tym, że inżynierowie rozbudowali wielopoziomowy model dla obliczeń kwantowych, a następnie polecili urządzeniu policzenie obwodu kwantowego. Następnie to samo miało być zasymulowane na komputerze zwykłym. Google chwali się, że tradycyjnemu komputerowi takie obliczenia zajęłyby 10 tysięcy lat, podczas gdy jego urządzenie nie miało z tym większych problemów. Oznacza to, że Google osiągną kwantową supremację.

Jednakże Google miał w ciągu demonstracji problemy związane z wydajnością – im bliżej komputer był bliski supremacji, tym bardziej jego wydajność spadała. Inżynierowie szukali przyczyny w budowie komputera albo w błędnych wiązaniach kwantowych, ale ostatecznie udało się naprawić usterkę ponowną kalibracją.

Problemy z komputerami kwantowymi

Dlaczego jednak po tylu latach komputery kwantowe są jeszcze na taki niskim poziomie? Dlaczego nie są już dostępne szerszej widowni?

Szacuje się, że aby móc korzystać z komputerów kwantowych masowo, potrzebne są procesory o sile obliczeniowej około miliona kubitów. Obecne komputery kwantowe nie tylko nie mają takich procesorów, lecz także, aby prawidłowo działać, potrzebują całych zastępów inżynierów i odpowiedniego miejsca do działania.

Obecne komputery kwantowe muszą mieć określone warunki, aby działać prawidłowo – muszą mieć określoną temperaturę (która jest w okolicach zera bezwzględnego), być odizolowane od świata zewnętrznego i być odporne na wszelkie drgania. Inaczej kwanty mogą ulec dekoherencji, to znaczy: pod wpływem kontaktu z otoczeniem zmienić swoją pozycję, co wpływa potem na przeprowadzane przez komputery kwantowe obliczenia.

Ponadto komputery kwantowe powstają z myślą o określonych zadaniach, a w innych (na przykład, przy grach komputerowych) mogą okazać się o wiele mniej wydajne. Google, IBM i D-Wave System już szczycą się tym, że stworzyli pierwsze działające komputery kwantowe, jednakże informatycy i fizycy zastrzegają, że jeszcze przed nami długa droga. Komputer kwantowy porównywany jest do żarówki, podczas gdy komputer tradycyjny do świeca. Nie tworzymy większej świecy, tylko żarówkę, która działa na innej zasadzie i ma zupełnie inną budowę. Dysponujemy już o wiele lepszymi tradycyjnymi komputerami, które mogą pomóc nam osiągnąć komputery kwantowe, niemniej jednak musimy też zmienić nasz sposób myślenia.