Co, jeśli… zbudujemy kwantowe komputery? Kwanty w sklepie
Odpowiedź brzmiała - nie do końca. A dokładniej - nie całą fizykę. Jedną z gałęzi fizyki jest mechanika kwantowa, która bada zjawiska w skali pojedynczych atomów i cząstek. Jeśli próbujemy symulować mechanikę kwantową na tradycyjnym komputerze, napotykamy zasadniczy problem. Pełny opis fizyki kwantowej ma tak wiele zmiennych, że nie jesteśmy w stanie śledzić ich wszystkich za pomocą zwykłej maszyny. Komputery nigdy nie będą miały tyle pamięci.
Feynman poszedł o krok dalej. Zapytał, czy skoro nie możemy symulować fizyki kwantowej na komputerze, to może uda nam się zbudować komputer kwantowo-mechaniczny, który byłby lepszy od zwykłych komputerów? Udało mu się zainspirować grupę osób do myślenia, jak mógłby wyglądać komputer kwantowy i co byłby w stanie zrobić?
Problem pojemności przestaje mieć znaczenie (w teorii)
W komputerach kwantowych zamiast bitów jako najmniejszej jednostki informacji mamy kubity. Podobnie jak w dwóch stanach bitowych, kubity również reprezentują tylko dwa stany, ale można je ustawić za pomocą dowolnej właściwości fizycznej atomu, takiej jak spin cząstki, pole magnetyczne lub polaryzacja pozioma/pionowa. Ponadto w fizyce kwantowej stany nie muszą być tylko włączone lub wyłączone. Mogą one również korzystać z superpozycji, właściwości kwantowej, która pozwala cząstce być w dowolnej kombinacji lub proporcji tych stanów. Jak kot Schrödingera, cząstka może być w dowolnym stanie, ale gdy jest testowana i obserwowana, będzie tylko w jednym stanie. Kiedy jej nie obserwujemy, cząstka może być spolaryzowana zarówno częściowo pionowo, jak i poziomo. Ale kiedy ją sprawdzamy, cząstka pokaże tylko jeden z tych stanów.
Superpozycja oznacza, że zwiększa się lawinowo liczba potencjalnych kombinacji. W zwykłych komputerach 4 bity dają 16 możliwych kombinacji, ale można użyć tylko jednej z nich w danym momencie. Natomiast cztery kubity mogą przechowywać wszystkie 16 takich wartości jednocześnie. Problem ograniczonej pojemności przestaje mieć znaczenie.
Konwencjonalny komputer przetwarza informacje poprzez zakodowanie ich w postaci 0 i 1. Jeśli mamy sekwencję trzydziestu 0 i 1, to ma ona około miliarda możliwych wartości. Jednak klasyczny komputer może znajdować się tylko w jednym z tego miliarda stanów w tym samym czasie. Komputer kwantowy może znajdować się w kwantowej kombinacji wszystkich tych stanów, zwanej superpozycją. Pozwala to na wykonywanie miliarda lub więcej wersji obliczeń w tym samym czasie.
Inną niesamowitą właściwością, którą mogą wykazywać kubity, jest splątanie kwantowe, w którym dwa kubity są połączone i reagują na stany drugiego, bez względu na to, jak daleko od siebie mogą się znajdować w świecie fizycznym. Wykorzystując tę właściwość, możemy mierzyć jeden kubit i jednocześnie znać właściwości splątanego z nim kubitu.
Równoległość kwantowa jest używana do wykonywania dużej liczby obliczeń w tym samym czasie, a interferencja kwantowa jest używana do łączenia ich wyników w coś, co jest zarówno znaczące, jak i może być mierzone zgodnie z prawami mechaniki kwantowej.
Największym wyzwaniem jest zbudowanie komputera kwantowego na dużą skalę. Można to zrobić na kilka sposobów. Jak dotąd najlepsze wyniki osiągnięto przy użyciu pułapek jonowych. Można zakodować 0 do najniższego stanu energetycznego jonu i 1 do wyższego stanu energetycznego. Następnie obliczenia są wykonywane przy użyciu światła, aby manipulować stanami jonów. Zamiast uwięzionych jonów można wykorzystać elektrony lub fotony. Można nawet użyć bardziej skomplikowanych obiektów, na przykład prądu elektrycznego w nadprzewodniku.
Eksperyment przeprowadzony przez grupę pod kierownictwem Johna Martinisa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara pokazał, jak można wykonywać operacje kwantowe na jednym lub dwóch bitach kwantowych z bardzo dużą precyzją od 99,4 do 99,92 proc. przy użyciu technologii nadprzewodników.
Chociaż komputery kwantowe na małą skalę działają już dzisiaj, główną przeszkodą na drodze do zwiększenia skali tej technologii jest kwestia radzenia sobie z błędami i brakiem stabilności. W porównaniu z bitami, kubity są niewiarygodnie kruche. Nawet najmniejsze zakłócenie ze świata zewnętrznego wystarczy, aby zniszczyć informacje kwantowe. Dlatego większość obecnie produkowanych maszyn musi być starannie chroniona w izolowanych środowiskach, w temperaturach znacznie niższych niż w przestrzeni kosmicznej. Chociaż opracowano już teoretyczne ramy kwantowej korekcji błędów, ich wdrożenie w sposób energooszczędny i oszczędzający zasoby stanowi poważne wyzwanie inżynierskie.
Modelowanie chemii, nanotechnologii i szukanie igły w stogu siana
Nie brakuje dziś pytań, do czego w praktyce komputer kwantowy będzie przydatny. Najczęściej odpowiada się na to pytanie, mówiąc o zdolnościach komputerów kwantowych do odczytu poufnych danych przesyłanych dziś np. w sieci i szyfrowanych przy użyciu obecnie znanych technik, takich jak RSA, protokół Diffiego-Hellmana i inne techniki kryptograficzne, które opierają się na faktoryzacji i dyskretnych logarytmach. Rysuje się jednak wiele innych fascynujących zastosowań.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie "Nature" 23 października 2019 r., naukowcy donieśli, że zespół stojący za kwantowym komputerem Google Sycamore (2) skutecznie użył swojej maszyny do rozwiązania pewnego problemu w zaledwie 200 sekund. Nie był to byle jaki problem - był to problem tak trudny, że jego rozwiązanie zajęłoby najpotężniejszemu tradycyjnemu superkomputerowi na świecie ponad 10 tys. lat. Zmniejszona do zaledwie 12 kubitów wersja kwantowego chipa Google Sycamore dokonała symulacji reakcji chemicznej, ustanawiając rekord złożoności, ale nie to, zdaniem naukowców, jest najważniejsze.
Specjaliści, którzy wyniki swoich badań opublikowali na łamach "Science", podkreślają, że zastosowanie układu w dziedzinie chemii demonstruje wszechstronność systemu i możliwość programowania kwantowej maszyny do wykonywania zadań w dowolnych obszarach. Ogłoszona od razu przez Google "supremacja" kwantowa wzbudziła kontrowersje i można ją uznać za dość wątpliwą w świetle kolejnych faktów np. komunikatu specjalistów chińskich z grudnia 2020 r. którzy podali, że ich kwantowa maszyna z 76. kubitami wykonuje operacje dziesięć miliardów szybciej niż Sycamore.
Ponieważ chemia i nanotechnologia opierają się na zrozumieniu układów kwantowych, a takich układów nie da się symulować w sposób efektywny klasycznie, wielu uważa, że symulacja kwantowa będzie jednym z najważniejszych zastosowań informatyki kwantowej. Symulacja kwantowa może być również użyta do symulacji zachowania atomów i cząstek w nietypowych warunkach, takich jak reakcje wewnątrz zderzacza, i to nawiązuje do cytowanego na początku Feynmana. Symulacje kwantowe mogą być użyte choćby do przewidywania przyszłych ścieżek cząstek i protonów w superpozycji w eksperymencie podwójnej szczeliny.
Kwantowe symulacje, zdaniem uczonych, pomogą nam nie tylko w chemii, ale także w badaniach nad pogodą, genetyką i chorobami, fizyką kwantową i ogólnie wszystkim, co wymaga obliczeń na ogromnych liczbach i zbiorach danych. Pomagać mają w faktoryzacji i kryptografii, w analizie nowych obserwacji kosmicznych i danych SETI, inżynierii lądowej i planowaniu miast, rozpoznawaniu wizerunków i wzorów w działaniach kryminalistycznych, antyterrorystycznych, w inżynierii genetycznej i mapowaniu. Obliczenia kwantowe mogą zniwelować wszelkie wyobrażalne odległości, jakie mogą dzielić AI od stanu obecnego do "osobliwości", punktu w przyszłości, w którym AI staną się samoświadome.
Takie przewidywania idą daleko. Specjaliści formułują zwykle skromniejsze oczekiwania wynikające głównie z faktu, iż komputery kwantowe mogą podawać dane wyjściowe, których komputery klasyczne nie są w stanie wydajnie wytwarzać, a obliczenia kwantowe są zasadniczo liniowo algebraiczne. Wiążą się z tym nadzieje na opracowanie algorytmów kwantowych, które mogą przyspieszyć zadania uczenia maszynowego. Na przykład kwantowy algorytm dla liniowych układów równań lub "algorytm HHL", nazwany tak na cześć jego odkrywców, Harrowa, Hassidima i Lloyda, jest uważany za mechanizm zapewniający większą szybkość niż jego klasyczne odpowiedniki. Niektóre grupy badawcze zbadały ostatnio zastosowanie sprzętu do kwantowego wyżarzania do szkolenia maszyn Boltzmanna i głębokich sieci neuronowych.
Bardzo często wymienianym w opracowaniach potencjalnym zastosowaniem komputerów kwantowych jest przeszukiwanie ogromnych ilości danych. Są w tym teoretycznie o niebo lepsze od tradycyjnych maszyn. Załóżmy, że mamy dużą książkę telefoniczną, uporządkowaną alfabetycznie według nazwisk (a nie numerów telefonów). Gdybyśmy chcieli znaleźć osobę, która ma numer telefonu 6097348000, musielibyśmy przejrzeć całą książkę telefoniczną i sprawdzić każdy wpis. W przypadku książki telefonicznej z milionem numerów mogłoby to zająć milion kroków. Kolejnym podobnym przykładem jest sytuacja, gdy chcemy znaleźć dwie równe liczby w dużej ilości danych.
W 1996 r. Lov Grover z Bell Labs odkrył, że komputer kwantowy byłby w stanie wykonać to samo zadanie w tysiącu krokach. Mówiąc ogólniej, komputery kwantowe przydałyby się wszędzie tam, gdzie musimy znaleźć coś w dużej ilości danych, w poszukiwaniu igły w stogu siana.
Jednak warto dodać, że w niewłaściwych rękach obliczenia kwantowe mogą w konsekwencji doprowadzić do manipulacji genetycznych kreujących superżołnierzy lub superchorych. Zaś moc łamania wszelkich szyfrów i zabezpieczeń w niepowołanych rękach brzmi przerażająco.
Pierwociny rynku obliczeń kwantowych
Komputery kwantowe oferują szansę na rozwiązywanie trudnych problemów optymalizacyjnych. Kanadyjska sieć sklepów spożywczych Save-On-Foods stała się pionierem w tej dziedzinie, wykorzystując technologię kwantową do poprawy zarządzania logistyką w sklepach. Inżynierowie firmy zwrócili się do znanego systemu kwantowego D-Wave (3) z problemem logistycznym, którego klasyczne komputery nie były w stanie rozwiązać. W ciągu dwóch miesięcy powstał hybrydowy algorytm kwantowy, który działał w jednym z supermarketów, redukując czas obliczeń dla niektórych zadań z 25 godzin tygodniowo do zaledwie kilku sekund. Firma Save-On-Foods zamierza teraz rozszerzyć tę technologię na inne sklepy i zbadać nowe sposoby, w jakie obliczenia kwantowe mogłyby pomóc w innych kwestiach.
D-Wave podobnie jak inne ośrodki, które zbudowały kwantowe maszyny, udostępnia firmom i instytucjom kwantowe moce obliczeniowe w celach obecnie głównie testowych. W 2016 r. IBM udostępnił programistom i specjalistom z branży procesory kwantowe 65-kubitowego urządzenia o nazwie Hummingbird w sieci Q Network. Amerykańska firma Honeywell otworzyła klientom dostęp w chmurze do komputera kwantowego działającego na zasadzie pułapek jonowych. Działająca od 2017 roku firma Rigetti Computing również zapewnia oparty na chmurze dostęp do 31-kubitowego komputera kwantowego.
Kubity pomagają już teraz firmom biotechnologicznym przyspieszyć odkrywanie nowych leków i materiałów. Firma Microsoft zademonstrowała już, jak komputery kwantowe mogą pomóc w produkcji nawozów o lepszej wydajności, co może mieć ogromny wpływ na rolnictwo. Pracujący nad zwiększeniem pojemności i szybkości ładowania w akumulatorach litowo-siarkowych nowej generacji naukowcy Daimlera poszukują najlepszego rozmieszczenia cząsteczek chemicznych e elektrolitach, w czym zdolność do szybkiej i wydajnej symulacji chemicznej komputerów kwantowych jest pomocna.
Konwencjonalne superkomputery radzą sobie tylko z prostszymi związkami. Współpracę kwantową z IBM w 2019 roku rozpoczął koncern ExxonMobil. Moce obliczeniowe mają w tym przypadku być wykorzystane do projektowania nowych niskoenergochłonnych chemikaliów i wychwytywania dwutlenku węgla. Badacze ExxonMobil wykorzystywali możliwości kwantowe IBM do symulacji makroskopowych właściwości materiałów, takich jak pojemność cieplna.
Kolejną z branż, która wykazuje duże zainteresowanie technologią kwantową, jest sektor finansowy. Uważa się, że komputery kwantowe, dzięki uwzględnieniu wykładniczo dużej liczby czynników i zmiennych, mogłyby generować znacznie lepsze prognozy ryzyka finansowego i niepewności oraz zwiększać efektywność kluczowych operacji, takich jak optymalizacja portfela inwestycyjnego czy wycena opcji. Wymienione przykłady nie wyczerpują prognozowanej listy zastosowań i potencjalnych korzyści z komputerów kwantowych (4).
Kolejne kroki, czyli internet i języki programowania
Obliczenia kwantowe to, ma się rozumieć, także kwantowy internet. Międzynarodowy zespół badaczy zbudował pod koniec 2020 r. skalowalną, obejmującą całe brytyjskie miasto Bristol, sieć kwantową do udostępniania kluczy służących do szyfrowania wiadomości. Kryptografia kwantowa polega na wykorzystaniu praw mechaniki kwantowej do stworzenia klucza prywatnego do kodowania i dekodowania wiadomości, w procesie zwanym dystrybucją klucza kwantowego lub QKD.
Inna sieć kwantowa powstaje na wschód od Nowego Jorku, w kampusie Brookhaven National Laboratory. Projekt oparty jest na kwantowej teleportacji fotonów, która działa na bazie istniejącej już sieci światłowodowej. Naukowcy z sukcesem przeprowadzili transmisje na odległość nawet do 130 kilometrów. Amerykańskie media piszą o projekcie jako o "zalążku krajowego kwantowego internetu".
Także inne kraje tworzą podstawy dla kwantowej sieci. Aż 4600 km mierzy kwantowa chińska sieć komunikacyjna, której powstanie ogłoszono na początku 2021 roku. Obejmuje ona zarówno łącza światłowodowe, jak i satelitarne. Informacje biegnące przez kwantowe łącza uznaje się za niemożliwe do przechwycenia. Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin na łamach pisma "Nature" opisali rekordowo rozległą sieć, opartą na technologii kwantowej dystrybucji klucza (QDT - Quantum Key Distribution). Chińska sieć łączy ponad 700 punktów. Wykorzystuje do tego celu dwa łącza satelitarne i ponad 2 tys. km światłowodów. Oczywiście tylko niektóre segmenty, te satelitarne, mają charakter kwantowy, opierając się na przetestowanej już kilka lat temu przez chińskich badaczy technice kwantowej transmisji danych.
Oczywiście rozwój i popularyzacja obliczeń kwantowych wymagać będzie bardziej przystępnych interfejsów i możliwości programowania maszyn bez konieczności angażowania sztabów najwybitniejszych naukowców. Pojawiły się już pierwsze próby sprowadzenia tego świata nieco bardziej "pod strzechy". W ubiegłym roku informatycy z politechniki ETH w Zurychu opracowali Silq, uznawany za pierwszy język programowania dla maszyn kwantowych, który jest równie elegancki, prosty i bezpieczny, jak klasyczne języki programowania komputerowego. Oznacza to w praktyce, że programowanie komputerów kwantowych może być znacznie prostsze, niż było dotychczas.
Obecnie języki programowania kwantowego są ściśle związane z konkretnym sprzętem. Innymi słowy, dokładnie opisują zachowanie się poszczególnych układów wykonujących obliczenia. Dla programistów takie "języki opisu sprzętu" są uciążliwe i podatne na błędy, ponieważ poszczególne instrukcje programowania muszą być niezwykle szczegółowe, wyraźnie opisywać najdrobniejsze szczegóły potrzebne do implementacji algorytmów kwantowych. Silq ma być językiem wyższego poziomu, pozwalającym na bardziej abstrakcyjne podejście, typowe dla współczesnego komputerowego oprogramowania.
Mirosław Usidus
