Komputer kwantowy – niemal każdy słyszał to określenie. Mówi się, że przyniosą ogromną rewolucję, że są nieporównywalnie szybsze od dzisiejszych superkomputerów. Ale czym tak naprawdę są?
W marcu wicepremier i minister cyfryzacji Krzysztof Gawkowski ogłosił, że Polska będzie uczestniczyć w budowie komputerów kwantowych, które powstaną w ramach Europejskiego Wspólnego Przedsięwzięcia w dziedzinie Obliczeń Wielkiej Skali. W sumie na Starym Kontynencie ma powstać 6 takich maszyn, a jedna z nich stanie właśnie w Polsce. Poza tym naukowcy z Krakowa pomogą w tworzeniu komputera kwantowego w Czechach, a konkretnie w Ostrawie.
Zależy nam na aktywnym dążeniu do osiągnięcia wysokiego poziomu w dziedzinie technologii kwantowych, kładąc nacisk na rozwój i innowacje w tym obszarze. Aspirujemy do dołączenia do czołowych graczy w obszarze technologii kwantowych w Europie
– mówił w marcu wicepremier i minister cyfryzacji, Krzysztof Gawkowski.
Jednak same komputery kwantowe to zaledwie część całej inicjatywy Unii Europejskiej w ramach podpisanej przez polski rząd deklaracji „Quantum Pact”. Poza samymi urządzeniami i związanymi z nim oprogramowaniem kwantowym chodzi też między innymi o łączność kwantową, sensorykę, meteorologię i obrazowanie kwantowe.
Podstawową ideą jest wykorzystanie zjawisk kwantowych, takich jak splątanie i superpozycje, m.in. do opracowania nowych, bardziej czułych metod pomiarowych, zwiększenia bezpieczeństwa transmisji danych, a także szybszego rozwiązywania wybranych problemów obliczeniowych. Polscy naukowcy od samego początku biorą aktywny udział w badaniach nad technologiami kwantowymi i zajmują się także praktycznymi zastosowaniami, co znalazło odzwierciedlenie w powstaniu szeregu start-upów. Aby wesprzeć tworzący się ekosystem kwantowy w naszym kraju, środowiska akademickie i gospodarcze utworzyły Klaster Q - Klaster Technologii Kwantowych, który ma na celu budowanie powiązań naukowo-gospodarczych i transfer opracowywanych rozwiązań do przemysłu.
- powiedział w rozmowie z TELEPOLIS.PL, prof. Konrad Banaszek z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.
Ale o co tak naprawdę to całe zamieszanie? Czym są i na co pozwalają komputery kwantowe? Czy to rzeczywiście tak duża rewolucja, która ma szansę odmienić nasze życie? I tak, i nie. W teorii możliwości komputerów kwantowych są ogromne i mogą one wykonywać skomplikowane obliczenia wielokrotnie szybciej niż dzisiejsze superkomputery, zbudowane na bazie krzemu i korzystające z tradycyjnych bitów. Rzecz w tym, że aktualnie rozwój quantum computingu jest na etapie porównywalnym do rozwoju komputerów z lat 50. Mówiąc bardziej obrazowo, dopiero raczkujemy, a myślimy już o bieganiu i biciu rekordów świata. Jednak warto wiedzieć, czym są komputery kwantowe i to właśnie postaram się wytłumaczyć.
Zanim w ogóle zaczniemy rozmawiać o komputerach kwantowych, musimy zacząć od fizyki, a konkretnie fizyki kwantowej. To właśnie na niej opiera się cała idea nowych komputerów. Aby zrozumieć, jak one działają, musimy najpierw zrozumieć, czym jest superpozycja i splątanie kwantowe. Wbrew pozorom nie jest to tak trudne, jak mogłoby się początkowo wydawać.
W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że superpozycja w fizyce kwantowej to taka sytuacja, kiedy cząstka, na przykład elektron, może być jednocześnie w kilku różnych miejscach lub mieć kilka różnych stanów. Można to porównać do monety wyrzuconej w górę. Dopóki nie wyląduje, jest jednocześnie prawdopodobieństwem reszki i orła. Wynik poznajemy dopiero, jak znajdzie się na Ziemi lub blacie stołu, czyli w momencie obserwacji. Z kolei splątanie kwantowe to połączenie ze sobą dwóch obiektów, niezależnie od dzielącej ich odległości. Zmiana stanu jednego za nich oznacza zmianę stanu również tego drugiego, nawet jeśli są one od siebie oddalone o lata świetlne.
Oba te zjawiska są wykorzystywane w komputerach kwantowych. Te korzystają z kwantowych bitów, określanych skrótowo mianem qubitów czy też bardziej po polsku kubitów. Te, w związku ze zjawiskiem superpozycji, nie muszą być zerem lub jedynką, jak bity w tradycyjnych komputerach. Mogą być jednocześnie i zerem, i jedynką, czyli trochę jednym, a trochę drugim. Wiem, jak to brzmi, ale tak właśnie działa fizyka kwantowa.
Dzięki temu komputer składający się z kubitów może dużo szybciej wykonywać wiele obliczeń, w końcu każdy „bit” nie jest tylko zerem lub jedynką, ale może być kilkoma stanami jednocześnie.
Dzięki tej niezwykłej własności przyjmowania różnych stanów naraz mogą one przetwarzać znacznie więcej informacji. Do tego wraz ze wzrostem ich liczby moc obliczeniowa rośnie wykładniczo. To główna zasada, którą wykorzystuje się na różne sposoby.
- powiedział w rozmowie z PAP prof. Marek Kuś z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.
W tym momencie ktoś może zadać sobie pytanie – skoro komputery kwantowe mogą wielokrotnie szybciej wykonywać określone obliczenia od tradycyjnych komputerów, to czemu nie są wykorzystywane na szeroką skalę? Wspominałem już, że w tej dziedzinie wciąż raczkujemy. Głównym problemem jest fakt, że zbudowanie komputera kwantowego jest niezwykle trudne. Kubity łatwo tracą swoje własności kwantowe. Największym zagrożeniem są szumy i zakłócenia, które wpływają na ich pracę.
Jeśli chodzi o budowę komputerów kwantowych, to podstawowym wyzwaniem są szumy i zakłócenia doświadczane przez fizyczne realizacje kubitów (bitów kwantowych, które mogą znajdować się w superpozycjach stanów logicznych "0" i "1") w znacznie większym stopniu, niż ma to miejsce w przypadku rejestrów złożonych z klasycznych bitów o dobrze ustalonych stanach logicznych. Wciąż trwają poszukiwania platformy fizycznej, dla której te niedoskonałości będą zminimalizowane, a liczbę dostępnych kubitów będzie można w dogodny sposób zwiększać (skalować). Z drugiej strony, trwają prace nad algorytmami, które będą w stanie działać na niedoskonałych procesorach kwantowych i osiągać przewagę kwantową pomimo obecności szumów.
- mówi nam prof. Konrad Banaszek.
Nie oznacza to, że nie istnieją żadne komputery kwantowe. Liderami w dziedzinie ich budowy są przede wszystkim Google oraz IBM. Pierwsza z tych firm w 2019 roku pochwaliła się modelem składającym się z 53 kubitów, aby w 2023 roku zwiększyć tę liczbę do 70 kubitów. Różnica może wydawać się niewielka, ale w tym przypadku wydajność rośnie wykładniczo.
To, co obliczał praktycznie natychmiast komputer kwantowy z 2019 roku, uzbrojony w 57 kubitów zajmowało klasycznemu Superkomupterowi Frontier 6,18 sekundy. Z kolei natychmiastowe obliczenia z maszyny uzbrojonej w 70 kubitów Frontierowi zajęłyby już ponad 47 lat.
Z kolei IBM już w 2022 roku twierdził, że stworzył komputer kwantowy, który składa się z 433 kubitów. Przez długi czas była to największa maszyna tego typu, ale to już nieaktualne. W grudniu 2023 roku amerykańska firma ogłosiła stworzenie komputera o nazwie Condor, który ma aż 1121 kubitów. Jednak to nie do niego należy rekord. Pod koniec 2023 roku firma Atom Computing dokonała sporego przełomu, bowiem udało im się zbudować urządzenie, które ma monstrualne 1180 kubitów. Na ten moment jest to największy komputer kwantowy na świecie, a przynajmniej wśród tych, o których wiemy, bo w laboratoriach Google’a czy IBM mogą powstawać jeszcze bardziej skomplikowane urządzenia.
To jednak wciąż zbyt mało, aby mówić o wielkiej rewolucji. Prof. Marek Kuś z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w wywiadzie dla serwisu Nauka w Polsce zauważa, że jednym ze sposobów na poradzenie sobie z problemem szumów i zakłóceń jest łączenie podstawowych kubitów z kubitami dodatkowymi, które w uproszczeniu stabilizują ich pracę. Na jeden roboczy kubit potrzeba około tysiąca tych dodatkowych, więc w praktyce potrzeba maszyny składającej się z kilkudziesięciu tysięcy kwantowych bitów, aby mówić o prawdziwej rewolucji. Do tego wciąż jest nam jeszcze daleko.
Poza tym w komputerach kwantowych ogromne znaczenie odgrywa nie tylko sam sprzęt, ale też oprogramowanie. Niestety, w tym przypadku również można mówić o raczkowaniu. Kubity to jednak coś innego niż bity i przez to wymagają zupełnie innego podejścia, zupełnie inaczej się je programuje. Oczywiście są już znane algorytmy kwantowe, ale – jak zauważa prof. Kuś, wciąż nie wiemy, jak kwantowo rozwiązać każdy problem, który potrafimy zaprogramować na klasycznych PC-tach. Wciąż wiele rzeczy trzeba dopiero wymyślić, a nie istnieją konkretne sposoby, jak to zrobić.
Na to pytanie trudno znaleźć jednoznaczną odpowiedź. W latach 50., gdy pierwsze komputery zajmowały całe pomieszczenia, też trudno było sobie wyobrazić, że kiedyś urządzenia wielokrotnie wydajniejsze będziemy nosić w kieszeniach spodni. A z tym przecież mamy dzisiaj do czynienia. Dlatego trudno przewidzieć, co przyniosą komputery kwantowe. Na pewno nie zastąpią one tradycyjnych PC-tów. Nie staną w każdym domu, chociaż pojawiają się takie głosy. Głównie dlatego, że wymagają do działania bardzo konkretnych warunków, w tym próżni oraz ekstremalnie niskich temperatur. Trudno wyobrazić sobie taką maszynę stojącą na lub pod biurkiem.
Może kiedyś powstają algorytmy, które pozwolą na tworzenie gier kwantowych. Dzisiaj wydaje się to mało prawdopodobne, ale nie można tego wykluczyć ze 100-procentową pewnością. Natomiast znane nam dzisiaj desktopy czy laptopy nie odejdą do lamusa. Urządzenia kwantowe staną się raczej dla nich chmurowym uzupełnieniem, które może nam pomóc w rozwiązaniu wielu dzisiejszych problemów i wnieść rozwój ludzkości na zupełnie nowym poziom. Stanie się tak, o ile poradzimy sobie z wieloma problemami i nauczymy się budować maszyny składające się z dziesiątek, a nawet setek tysięcy kubitów. Do tego jeszcze nam daleko.
Źródło zdjęć: Shutterstock, IBM, Google
Źródło tekstu: Nauka w Polsce, oprac. własne
