Obliczenia kwantowe mogą odmienić naszą przyszłość. Mają potencjał, aby całkowicie przekształcić branżę medyczną, pomóc łamać najbardziej złożone szyfry i przyspieszyć rozwój sztucznej inteligencji. Obecnie trwa wyścig pomiędzy firmami IBM, Google i Microsoft w celu zbudowania najbardziej niezawodnego komputera kwantowego, który mógłby znacząco przewyższyć wydajnością każdy współczesny superkomputer. Gra toczy się o coraz wyższą stawkę – każda z firm twierdzi, że wyprzedza pozostałe, a Chiny zainwestowały już miliardy w obliczenia kwantowe. Ale czym tak naprawdę są obliczenia kwantowe? Czy będziemy na co dzień mieć do czynienia z komputerami opartymi na tej technologii? Jak naprawdę ona działa?
Czym są obliczenia kwantowe?
Komputer kwantowy przypomina każdy inny komputer, który wykonuje skomplikowane obliczenia; jednak wykorzystuje zasady mechaniki kwantowej do wykonywania tych obliczeń z bardzo dużą szybkością. Tradycyjny komputer używa bitów, które przechowują informacje w systemie binarnym (jedynki i zera) i funkcjonują jak małe przełączniki, które włączają (1) i wyłączają (0) się. Na używanych przez nas na co dzień komputerach korzystamy z aplikacji, stron internetowych, filmów i obrazów, które składają się z milionów bitów, które są przekształcane w to, co widzimy i słyszymy na naszych komputerach.
Ta teoria używania bitów dobrze się sprawdza w większości zastosowań i nasze komputery mogą łatwo obliczyć te wyniki w postaci zero-jedynkowej. Wiemy jednak, że istnieją również przypadki nieokreśloności, które wymagają niezwykle skomplikowanych obliczeń, podobnie jak w przypadku Przyrody i wszechświata. Nasze komputery nie mogą poradzić sobie z tą nieokreślonością, a nawet superkomputery mają pewne problemy z tymi skomplikowanymi obliczeniami, które zajmują im wiele lat.
W 1927 roku niemiecki fizyk Werner Heisenberg przedstawił zasadę nieoznaczoności, która mówi, że nie można wiedzieć wszystkiego o cząstce kwantowej w danym momencie. Im więcej wie się o jej pozycji, tym mniej wie się o jej pędzie. Stało się to znane jako mechanika kwantowa.
Komputer kwantowy, wykorzystując zasady mechaniki kwantowej, dodaje do tych jedynek i zer nieokreśloność, aby mogły być jednocześnie jedynką lub zerem. Jeśli na przykład rzucimy monetą i wypadnie orzeł, może to być 1, a jeśli rzucimy monetą ponownie, może wypaść reszka i może to być 0. Tak więc, za każdym razem, gdy rzucimy monetą, uzyskamy określony wynik. Co się stanie, gdy będziemy bez przerwy kręcić monetą? Będzie to 1 czy 0? I jedno, i drugie. Ten stan nieokreśloności jest znany w obliczeniach kwantowych jako superpozycja i jest taki sam jak kręcenie monetą. Im więcej superpozycji mamy w komputerze kwantowym, tym więcej kombinacji i więcej pamięci możemy mieć.
Jak działają komputery kwantowe?
Zamiast używać bitów jak standardowe komputery, komputery kwantowe używają czegoś, co nazywa się kubitami. Kubity są wykonane z materiałów superprzewodzących i są urządzeniem fizycznym. Kubity kontroluje się za pomocą impulsów mikrofalowych o określonej częstotliwości i czasie trwania, aby nadać kubitom superpozycję lub móc zmienić ich stan w ten czy inny sposób. Ponieważ każdy kubit reprezentuje dwa stany jednocześnie, łączna liczba stanów podwaja się z każdym dodanym kubitem. Jeden kubit to dwie liczby, dwa to cztery liczby, trzy to osiem liczb i tak dalej. Na początku liczba jest niska, ale szybko staje się ogromna.
Kubity są małe, aż do poziomu molekularnego. W związku z tym, ze względu na zasady mechaniki kwantowej, a w szczególności właściwości ich pola magnetycznego, kubity są w większości wykonane z elektronów. Dlatego też służą one jako podstawowy element konstrukcyjny w komputerze kwantowym. Aby elektron mógł być użyty jako kubit, musi istnieć niezawodny sposób określenia jego pozycji i zmiany jego kierunku. W odniesieniu do kubitów używa się pojęcia kropki kwantowej, która jest sferyczną przestrzenią, zwykle o średnicy jednej dziesięciotysięcznej milimetra. Wewnątrz kropki kwantowej, która jest wykonana z dwóch materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem i german, schłodzonych do wyjątkowo niskich temperatur, znajduje się elektron swobodny. W tym formacie spin elektronu można przełączać elektronicznie.
Superpozycja – jak już wyjaśniliśmy, superpozycja to nieokreśloność stanu kubitu: może on być włączony i wyłączony jednocześnie lub znajdować się gdzieś pomiędzy tymi dwoma stanami. Posłużmy się przykładem, który dobrze ilustruje sposób działania tego zjawiska. Jeśli wydamy standardowemu komputerowi polecenie wejścia do labiryntu i znalezienia wyjścia z niego, wypróbuje on każdą pojedynczą trasę, wykluczając kolejne metodą prób i błędów, aż znajdzie wyjście z labiryntu. Proces ten może trwać długo, jak również zajmować więcej pamięci potrzebnej na zapisanie każdej nieudanej trasy. Gdy poprosimy komputer kwantowy o znalezienie wyjścia z labiryntu, w tym samym czasie przemierzy on każdą pojedynczą ścieżkę w labiryncie. Wykorzystując nieokreśloność w połączeniu ze splątaniem i interferencją, które są dwoma innymi elementami obliczeń kwantowych, błyskawicznie znajdzie wyjście z labiryntu.
Splątanie – kubity mogą również znaleźć się w stanie, który nazywa się splątaniem. Wracając do analogii rzutu monetą, jeśli rzucimy dwiema monetami, wynik rzutu jedną monetą nie ma wpływu na drugi, są one całkowicie niezależne od siebie. W splątaniu, dwie cząstki są ze sobą połączone, nawet jeśli są fizycznie od siebie oddzielone. To splątanie oznacza, że jeśli rzucimy obiema monetami w tym samym czasie, wynik będzie również taki sam. Zachowują się one w sposób, który staje się rodzajem systemu. Splątanie pozwala zmniejszyć liczbę błędów w systemie, jednocześnie zwiększając wydajność i znacząco przyspieszając wykonywanie obliczeń.
Interferencja – wykorzystując właściwość kwantową, taką jak interferencja, można kontrolować stany kwantowe poprzez wzmocnienie sygnałów, które są bardziej zbliżone do prawidłowej odpowiedzi i redukowanie typów sygnałów, które są bliższe nieprawidłowej odpowiedzi. Działa to w równie nadzwyczajny sposób co redukcja hałasu w słuchawkach, która polega na odczytywaniu długości fali z otoczenia, a następnie tworzeniu przeciwnej fali, aby ją zredukować, tworząc interferencję. Jak wiadomo, istnieje interferencja konstruktywna i interferencja destruktywna. Interferencja konstruktywna wzmacnia długość fali, więc sygnał staje się mocniejszy, z kolei interferencja destruktywna osłabia amplitudę. Tak samo działa to w obliczeniach kwantowych, pozwalając kontrolować stany.
Połączenie wszystkich tych trzech elementów sprawia, że komputery kwantowe działają, wykonując skomplikowane obliczenia i osiągając bardzo duże szybkości.
Jakie wyzwania wiążą się z obliczeniami kwantowymi?
Obliczenia kwantowe są jeszcze w powijakach, ale przeprowadzanych jest wiele prac badawczych w celu dalszego rozwijania ich możliwości. Według jednego z największych nieporozumień dotyczących obliczeń kwantowych, wystarczy dodać więcej kubitów, aby zwiększyć moc obliczeniową. Chociaż to prawda, jest to również jedno z największych wyzwań w obliczeniach kwantowych, ponieważ nie jest to takie proste. Komputery kwantowe są wyjątkowo złożonymi maszynami wykorzystującymi wysoce precyzyjne mikrofale i temperatury poniżej zera, w związku z czym są niezwykle wrażliwe na wszelkie zakłócenia elektryczne i wpływy środowiska. Dodanie kolejnych kubitów powoduje zatem zwielokrotnienie problemów.
Kolejnym wyzwaniem, które może być trudne do zrozumienia, jest to, że informacje kwantowe można przechowywać przez ograniczony czas. Po przeprowadzeniu określonej liczby obliczeń informacje te zaczynają ulegać utracie.
Jakie są następne kroki?
Co musi się teraz stać? Obecni liderzy branży muszą zacząć tworzyć warstwy abstrakcji, aby ułatwić programistom i naukowcom rozpoczęcie zdobywania wiedzy, przeprowadzania badań i znajdowania nowych obszarów zastosowań dla obliczeń kwantowych. Będzie to również wymagało opracowania nowych algorytmów kwantowych przez badaczy. Postęp będzie również następował wraz z wykładniczym wzrostem ilości sprzętu i procesorów kwantowych, dodawaniem kolejnych kubitów.
Kto korzysta z tej technologii?
Obliczenia kwantowe mają potencjał, by szybko przyspieszyć rozwój sztucznej inteligencji i Przemysłu 4.0. Firma Google już używa ich do ulepszania samojezdnych aut, a także modelowania złożonych reakcji chemicznych.
Poniżej znajduje się obszerna lista najpopularniejszych zastosowań dla obliczeń kwantowych:
- Cyberbezpieczeństwo
- Rozwój leków
- Modelowanie finansowe
- Lepsze akumulatory
- Czystsze nawożenie
- Optymalizacja ruchu drogowego
- Prognozowanie pogody i zmian klimatu
- Sztuczna inteligencja
- Przechwytywanie energii słonecznej
- Odkrywanie materiałów z dziedziny elektroniki
Daimler AG – W 2018 r. niemiecki producent samochodów Daimler AG ogłosił dwa partnerstwa: z Google i IBM. Pojazdy elektryczne oparte są zasadniczo na chemii ogniw akumulatorowych. Obliczenia kwantowe mogą okazać się doskonałym rozwiązaniem w takich obszarach jak symulacja ogniw i starzenie się ogniw akumulatorowych. Ulepszone akumulatory do pojazdów elektrycznych mogą przyczynić się do wzrostu popularności takich pojazdów.
Daimler bada również, w jaki sposób obliczenia kwantowe mogą potencjalnie przyspieszyć rozwój sztucznej inteligencji, a także pomóc zarządzać przyszłością autonomicznych pojazdów i przyspieszyć rozwój ich sieci logistycznej. Daimler idzie w ślady firmy Volkswagen, która w 2017 roku ogłosiła partnerstwo z Google w zakresie podobnych inicjatyw. W 2018 r. firma nawiązała również współpracę z D-Wave Systems.
Volkswagen Group – D-Wave i VW prowadziły już programy pilotażowe w zakresie wielu wyzwań związanych z optymalizacją ruchu drogowego i podróży, w tym usprawnieniem ruchu w Pekinie, Barcelonie i, akurat w tym miesiącu, w Lizbonie. W przypadku tego ostatniego miasta flota autobusów jeździła po różnych trasach, które były dostosowywane w czasie rzeczywistym do warunków ruchu, korzystając z algorytmu kwantowego, który VW nieustannie udoskonala po każdym uruchomieniu testowym. Zdaniem prezesa D-Wave, Verna Brownella, program pilotażowy firmy „przybliża nas bardziej niż kiedykolwiek wcześniej do realizacji prawdziwych i praktycznych obliczeń kwantowych”.
JP Morgan Chase – Nie jest zaskoczeniem, że jedna z największych firm finansowych jest zainteresowana obliczeniami kwantowymi. W końcu rynek finansowy pod pewnymi względami spełnia kryteria definicji nieokreśloności. JP Morgan jest jednym z partnerów sieci kwantowej firmy Microsoft, w skład której wchodzą uczelnie badawcze, firmy technologiczne i podmioty gospodarcze. Obliczenia kwantowe i modelowanie finansowe to doskonałe połączenie, gdyż mają wiele podobieństw strukturalnych. Obecnie prowadzone są badania z wykorzystaniem modelu Monte Carlo, który mierzy prawdopodobieństwo wystąpienia różnych wyników i ocenia ich ryzyko.
Jakie są najbardziej innowacyjne rozwiązania w dziedzinie obliczeń kwantowych?
Większość przełomowych odkryć, które do tej pory miały miejsce, powstało w kontrolowanych warunkach, w których wykorzystano problemy, których rozwiązanie już znano, aby osiągnąć dominację kwantową. Ostatnio firma Google stwierdziła, że osiągnęła już dominację kwantową, która polega na tym, że komputer kwantowy przewyższa tradycyjny komputer. Firma Google utrzymuje, że jej 54-kubitowy procesor był w stanie wykonać w 200 sekund obliczenia, które zajęłyby tradycyjnemu komputerowi 10 000 lat. Twierdzenie to zostało mocno skrytykowane przez firmę IBM, której zdaniem takie obliczenia zajęłyby tradycyjnemu komputerowi tylko 2,5 dnia.
Prowadzone są również badania nad opracowaniem algorytmów, takich jak algorytmy Shora czy Grovera, które będą wykorzystywane przez komputery kwantowe, ale stworzenie samych urządzeń wymaga jeszcze dużo pracy. Obecnie oczekuje się, że innowacyjność będzie rosła, zwiększając się wykładniczo wraz z wartością obliczeniową, a zaawansowanie sprzętu będzie podwajać się co 4 lata w oparciu o kwantowy odpowiednik prawa Moore’a. Celem byłoby uzyskanie wolumenu umożliwiającego uruchomienie pożądanych algorytmów kwantowych. Kiedy to nastąpi, nacisk zostanie położony na skorygowanie błędów kwantowych.
Komputer kwantowy jest przeznaczony do stosowania w dużej liczbie złożonych obliczeń, które wymagają szybkiej reakcji. Nie jest i nigdy nie będzie używany do zastąpienia tradycyjnych komputerów, których używamy na co dzień. Obliczenia kwantowe nie przydadzą się w codziennych zastosowaniach, takich jak oglądanie filmów HD, przeglądanie Internetu czy edycja tekstu. Widać ogromny potencjał tej technologii i już teraz nabiera ona rozmachu, a duże firmy inwestują w nią miliony. Przyszłość wygląda ekscytująco i jest to obszar, któremu warto się przyglądać.
