Komputer kwantowy - jak to działa i co potrafi?

Zastanawiamy się dzisiaj nad nowymi kartami graficznymi, kolejnymi procesorami czy ilością pamięci RAM, ale na świecie istnieją dużo szybsze i wydajniejsze jednostki, które kompletnie rewolucjonizują podejście do szybkości działania. Mowa oczywiście o komputerach kwantowych korzystających z kubitów. Jak to działa i co potrafi? 

Komputery kwantowe nie są tak młode, jak mogłoby się wydawać. Pierwsze maszyny korzystające z tej technologii zaprojektowano już na początku lat 90, a wiadomo było o takiej możliwości dziesięć lat wcześniej. To właśnie wtedy Paul Benioff z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych zwrócił uwagę na możliwość wykorzystania fizyki kwantowej do konstrukcji komputera, korzystając z przełomowych badań Richarda Feymanna z 1969 roku. W połowie lat 80. David Deutsch z brytyjskiego Oxfordu opisał dokładnie swoją teorię działania, a do prac nad tym dziełem przystąpił jeszcze polski informatyk, Artur Ekert, również student angielskiej uczelni. Kolaboracja przyniosła teorię, którą w smakowite owoce przerobił Peter Shor w 1994 roku, konstruując kod pozwalający rozkładać bardzo duże liczby na iloczyny liczb pierwszych właśnie za pomocą komputera kwantowego. 

Najważniejszy element komputera kwantowego to kubity, a nie bity

Pierwsze realizacje obliczeń kwantowych zaprezentowano w 1995 roku. Już wtedy możliwe było skonstruowanie banków przetwarzających kubity (czyli cząstki elementarne, np. fotony lub elektrony). Pierwszy, teoretycznie funkcjonujący komputer kwantowy pokazała firma D-Wave Systems w 2007 roku. Był to wtedy 128-kubitowy układ, ale naukowcy nie są zgodni, czy potrafił posługiwać się kubitami czy tylko opisano jego szczegółową budowę. Firma poszła jednak o krok dalej i w 2009 zaprojektowała dla Google odpowiednią jednostkę, która pomagała w wyszukiwaniu różnego rodzaju grafik. Dalsze losy technologii wystrzeliły niczym startująca rakieta, a wiele różnych firm podjęło próby rozwoju tych maszyn celem odkrycia zupełnie nowych możliwości obliczeniowych. 

Warto rozpisać, jak dokładnie działają kubity i czym różnią się od znanych nam dzisiaj bitów. Przede wszystkim bit, to stara już technologia wykonująca wszystkie obliczenia za pomocą zer i jedynek. Ten prosty mechanizm pozwala na dostarczenie prądu do odpowiedniego miejsca i tworzeniu określonych kombinacji podstawowych informacji. Każde takie zero lub jeden to właśnie bit. Dzisiaj tworząc kod na komputerze, tworzony on jest w systemie zerojedynkowym, dzięki czemu komputer wie, kiedy ma coś włączyć i jak funkcjonować. Nie może tu być żadnej pomyłki. Ten sposób działania ma jednak pewne wady i ograniczenia techniczne. Kubit z kolei to dużo bardziej zaawansowany system oparty na fizyce kwantowej. 

W 1969 roku wybitny fizyk kwantowy, Richard Feynman (laureat nagrody Nobla) przedstawił swoje badania dotyczące opisu wysokoenergetycznych zderzeń hadronów w rozbiciu na cząsteczki nukleonów (czyli znanych nam protonów i neutronów tworzących jądro każdego atomu). Składają się z kwarków czyli fermionów podatnych na wzajemnie silne oddziaływanie. Trzeba je tylko wprowadzić w ruch, co w 1996 roku udało się zrobić kilku naukowcom, którzy zbudowali w tym celu maszynę wykorzystującą zjawisko rezonansu magnetycznego. Zaprogramowanie jej było możliwe dzięki impulsom radiowym i od tego zaczęły się dalsze prace nad rozwojem tej technologii. W skrócie zatem, Kubit jest w ogólnym rozumieniu kwantową pozycją zer i jedynek, co oznacza, że rezultat obliczeń może stanowić grupę lub półgrupę wielu ciągów zerojedynkowych. To pozwala na znaczące przyspieszenie badań, ponieważ kubit może wykonać nieporównywalnie więcej równoległych obliczeń od tradycyjnego systemu binarnego. 

[AKTUALIZACJA - 08.05.2021, godz. 1:30]

Bardzo szanuję dyskusje z czytelnikami i cieszę się, że wyrażają swoje opinie na temat tego artykułu. Podziwiam społeczność PPE, jest tutaj mnóstwo ciekawych, interesujących osób, które potrafią dodać coś od siebie do każdego z tekstów, dlatego tak lubię później przeglądać i czytać komentarze. Większość jest świetna i merytoryczna. Niektórych użytkowników znam od dawna, choćby z widzenia na łamach portalu, inne dopiero poznaję, ale chętnie porozmawiam ze wszystkimi. Użytkownik Matador podzielił się kilkoma interesującymi ciekawostkami dotyczącymi działania komputerów kwantowych. Chętnie je tutaj zamieszczę (delikatnie przeredagowane) w ramach rozwinięcia artykułu. Dziękuję! 

Zwykłe procesory liczą zerojedynkowo, zaś w jednostkach kwantowych, Kubit przyjmuje tzw. superpozycje - czyli 0 i 1 jednocześnie trochę jak foton, który jest falą i cząstką jednocześnie, zależnie od prowadzonej obserwacji. Tradycyjny procesor przełącza pozycje bramki logicznej na zero lub jeden, kwantowy natomiast dorzuca superpozycje. Komputery kwantowe liczą dużo szybciej, ale ich wyniki nie są precyzyjne, bo z superpozycji wynikają różne uboczne implikacje (o czym wspominam w dalszej części tekstu). Dlatego głównym problemem komputerów kwantowych jest szukanie poprawnego wyniku i oczywiście miniaturyzacja, oraz szukanie alternatywy na specjalne warunki w których musi pracować. Co nie zmienia faktu, że potrafią dzięki swojej budowie znacznie więcej od tradycyjnych komputerów, które znamy, chociaż jak słusznie zauważyli czytelnicy, nie we wszystkich obliczeniach komputery kwantowe będą lepsze. 

[KONIEC AKTUALIZACJI]

Dzisiaj, w 2021 roku mamy już na rynku przynajmniej kilka sprawnie działających komputerów kwantowych. Blisko 8 miesięcy temu Google pochwaliło się, że ich jednostka przeprowadziła najbardziej zaawansowaną w historii operację symulacji chemicznych. Wykorzystano w tym celu 54-kubitowy komputer, ale skorzystano jedynie z 12 kubitów. Już wtedy jednak dokonano tej symulacji dwukrotnie szybciej od najszybszego, do tej pory, rezultatu wykonanego przez klasyczne superkomputery. Znana jest również historia wygenerowania losowego zestawu liczb w systemie dwójkowym celem sprawdzenia czy ich rozkład rzeczywiście jest przypadkowy. Tutaj również zaprzęgnięto do pracy komputer kwantowy Google, który poradził sobie z tym zadaniem w nieco ponad 3 minuty.

Potem dokładnie taką samą pracę zlecono niemal najszybszemu superkomputerowi świata - modelowi Summit o mocy ponad 200 petaflopów (dzierżył palmę pierwszeństwa do czerwca 2020 roku). Różnica w prędkości działania dosłownie wywaliła naukowców z butów, bo Summit, według pracowników Google, wykonałby te same obliczenia w nieco ponad 10 tysięcy lat. IBM potem dementowało te informacje sugerując, że najszybszy superkomputer wykonałby to samo zadanie w ok. 2,5 doby. Tak czy siak, różnica byłaby znaczna.

To pokazuje ogromną siłę w komputerach kwantowych, dlatego tak chętnie są one udoskonalane i budowane. Mogą pomóc nam przy bardzo trudnych obliczeniach wykonując je w dosłownie kilka chwil. Znany jest przypadek chińskiego modelu takiej jednostki o nazwie Jiuzhang. Tutaj rezultaty są o wiele bardziej spektakularne, bowiem naukowcy w 180 sekund wykonali obliczenia, które trzeciemu pod względem wydajności superkomputerowi świata zajęłyby... aż 2,5 miliarda lat. Najszybszy obecnie "Fugaku" stojący w Japonii wykonałby to samo zadanie w ok. 600 milionów lat. Różnice są nieprawdopodobne. Niestety, komputery kwantowe prawdopodobnie nigdy nie trafią do naszych domów i nie będą wykorzystywane jako kolejna generacja w rozwoju PC. 

Wszystko dlatego, że kubity są niezwykle podatne na zmiany klimatyczne. Muszą być utrzymywane w ciągłej temperaturze bliskiej zeru absolutnemu (czyli ok. -273 stopniach Celsjusza), która możliwa jest do wytworzenia jedynie w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Dlatego superkomputery kwantowe pomogą w odkrywaniu kosmosu, w rozwoju medycyny czy obliczeniach chemicznych, ale zrobią to wyłącznie z ogromnych, odpowiednio przystosowanych pomieszczeń. Już teraz powstają naukowe rozważania na temat tego, jak mocno potęga kubitów wpłynie na wynalezienie leków na dosłownie każdą chorobę. Skoro w 2021 roku potrafimy przyspieszyć najbardziej skomplikowane obliczenia o przeszło 100 bilionów razy, to co będziemy potrafili zrobić za dwadzieścia lat? 

Komputery kwantowe to dalej wielka niewiadoma i dopiero początek drogi

IBM jest bardzo mocno zaangażowany w prace nad komputerami kwantowymi dla laboratoriów medycznych. Można powiedzieć, że Amerykanie, obok Chińczyków, przodują w rozwoju takich jednostek. Stany Zjednoczone do 2023 roku planują stworzyć komputer wyposażony w ponad 1000 kubitów. Celem na dalsze lata jest stopniowe zwiększanie ich liczby, aż do przeszło miliona jednostek. Nie próbuje sobie nawet wyobrażać, jak szybki byłby tak skonstruowany komputer kwantowy. Warto dodać, że podstawą działania takich urządzeń jest osiągnięcie supremacji kwantowej czyli zdolności do wykonywania obliczeń i rozwiązywania problemów praktycznie niedostępnych dla klasycznych, znanych nam dobrze komputerów. 

W ciągu najbliższych miesięcy IBM zaprezentuje komputer kwantowy wyposażony w 433 kubity, co pozwoli na dalszy rozwój technologii zdolnych do pokonania niewyobrażalnych dzisiaj dla człowieka granic. Firma skonstruuje też pierwsze tego typu urządzenie w Europie. Najpopularniejszym zastosowaniem dla komputerów kwantowych będzie rozwój sztucznej inteligencji. Rodzi to pewne obawy, że czekają nas ogromne postępy w zautomatyzowaniu pewnych procesów w fabrykach czy w codzienności. Nie będzie już potrzebny człowiek do wykonania wielu czynności, wystarczy samoucząca się maszyna. A skoro sztuczna inteligencja potrafi rozwijać się sama, to dzięki mocy komputerów kwantowych będzie zdolna do samodzielnego funkcjonowania, a co za tym idzie, być może nawet przejęcia władzy nad światem i wyeliminowania człowieka.

W końcu znamy przypadek jednego podróżnika w czasie - Williama Taylora, który wylądował w 8793 roku i widział tam półludzi i półroboty, a człowiek potrafił żyć wiecznie. Został wysłany do zbadania naszej przyszłości przez ludzi z rządu Brytyjskiego, a podłączony do niego wykrywacz kłamstw w momencie opowiadania tej historii nawet nie drgnął. Czyli może w tym być jakieś ziarenko prawdy, w końcu o wielu rzeczach nie mamy pojęcia. UFO zostało potwierdzone w zeszłym roku przez Pentagon, kto wie jakie jeszcze tajemnice są skrywane przed "zwykłym" obywatelem. Już w 1930 roku Albert Einstein odkrył, że podróżowanie w czasie jest możliwe, a w internecie można odnaleźć wiele zdjęć obiektów trzymanych przez ludzi, które nie miały prawa znaleźć się w określonym miejscu i czasie. 

Oczywiście mam nadzieję, że do masowej zagłady człowieka rodem z filmów nigdy nie dojdzie, ale wydajność komputerów kwantowych nie jest nam dobrze znana, a obliczenia wykonywane wewnątrz kubitów dalej mają pewien procent losowości, dlatego trzeba je wielokrotnie powtarzać. Nie jest to z pewnością idealna technologia, ale do tej pory człowiek nie wykombinował niczego szybszego. Już teraz IBM buduje specjalny kriostat wypełniony ciekłym helem, który pozwoli na zbudowanie komputera kwantowego wyposażonego w milion kubitów.

Nie są to jedynie dywagacje, a konkretne i bardzo przemyślane plany rozwoju. Do pracy dołączyło nawet kilka start-upów i dużych firm, m.in. grupa Q-CTRL tworząca oprogramowanie pozwalające na kontrolowanie poszczególnych kubitów. Jednostka o mocy zaledwie 1000 kubitów byłaby z kolei zdolna do wykrycia i rozwiązania niezliczonych błędów i luk powstałych w internecie w dziedzinie szyfrowania danych. Pomyślcie tylko, co z taką mocą mogą zrobić światowe mocarstwa, wojsko czy NASA, planując kolonizację Marsa. Można powiedzieć, że science-fiction dzieje się właśnie na naszych oczach.