Działanie komputera kwantowego, jak sama nazwa wskazuje, opiera się na fizyce kwantowej. Przesył informacji w takich maszynach odbywa się za pomocą kubitów, a nie bitów, jak ma to miejsce w zwykłych komputerach. Co jednak oferują komputery kwantowe w stosunku do tradycyjnych rozwiązań? Sprawdźmy, w jaki sposób tego typu sprzęty mogą przydać się w różnego rodzaju problemach.
Komputer kwantowy – kolejny krok milowy w świecie informatyki?
To nic nowego, że z roku na rok komputery, które znamy, stają się coraz to bardziej wydajne i zaawansowane technologicznie. Obliczenia kwantowe to jednak kwestia, która rozwija się swoim własnym tempem. Ograniczenia wynikające z praw fizyki musiały w końcu uniemożliwić dalszy rozwój i wykonywanie coraz bardziej skomplikowanych obliczeń przez konwencjonalne maszyny. Odpowiedzią na ten problem jest właśnie komputer kwantowy – to zupełnie odmienne podejście do tematu obliczeń.
Co to jest komputer kwantowy?
Komputer kwantowy to bardzo zaawansowana maszyna, której działanie w głównej mierze opiera się na zasadach mechaniki kwantowej, czyli jednej z najważniejszych w ostatnim czasie części szeroko pojętej fizyki. Mechanika kwantowa zajmuje się opisywaniem zjawisk, które wychodzą poza granice mechaniki klasycznej. Obejmuje zatem między innymi cząsteczki subatomowe czy nadprzewodnictwo. Mechanika kwantowa została stworzona niezależnie przez dwóch wybitnych naukowców – Wernera Heisenberga oraz Erwina Schrödingera w 1925 roku.
Przesyłanie informacji w komputerze kwantowym możliwe jest dzięki opisaniu danych stanem układu, z którego zbudowana jest maszyna. Odbywa się to za pomocą kubitów, które w uproszczeniu można nazwać kwantowymi bitami. W przypadku tradycyjnych komputerów stan układu może przyjmować wartości 0 lub 1. W maszynach kwantowych jest nieco inaczej – kubit w trakcie obliczeń znajduje się w stanie pośrednim, co w praktyce przekłada się na większą wydajność obliczeniową. Dzięki temu komputer kwantowy jest w stanie wykonać operacje zbyt skomplikowane dla konwencjonalnego urządzenia.
Zdolności komputerów kwantowych mogą okazać się zdumiewające. Naukowcy przewidują, że będą one w stanie w zaledwie kilka sekund poradzić sobie z rozwiązywaniem problemów, które dla tradycyjnego komputera zajęłyby setki bądź tysiące lat. Tak ogromne możliwości sprawiają, że zdecydowanie warto skupić się na rozwoju komputerów kwantowych. Przyszłe lata prawdopodobnie przyniosą sporo nowych odkryć i pomysłów w tej dziedzinie.
Komputer kwantowy – kto wpadł na ten pomysł? Krótka historia
Choć mogłoby się wydawać, że obliczenia kwantowe to świeży i słabo dotąd poznany temat, to nic bardziej mylnego. Pomysł ten pojawił się już wiele lat temu, a dokładniej na początku lat osiemdziesiątych. Co ciekawe, niedługo po przedstawieniu pierwszych koncepcji, badań i założeń, powstała niemal kompletna teoria opisująca, jak działa komputer kwantowy.
O potencjale maszyn kwantowych jako pierwszy wspominał Paul Benioff z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, jednak to nie jemu przypisywany jest pomysł stworzenia takich komputerów. Za twórcę idei uważa się jednego z największych fizyków wszech czasów, a mianowicie Richarda Feynmana, laureata nagrody Nobla. To on jako pierwszy przedstawił publicznie teoretyczny model zamiany systemu kwantowego w tradycyjny model komputerowy. Miało to miejsce podczas słynnych wykładów prowadzonych przez Feynmana w Massachusetts Institute of Technology w 1981 roku.
Richard Feynman zaprezentował i wyjaśnił wiele zjawisk kwantowych, które można wykorzystać, tworząc komputer kwantowy. Fizyk zwrócił uwagę między innymi na rezonans jądrowy, nadprzewodzące złącze Josephsona, kondensat Bosego-Einsteina czy stany energetyczne elektronów na powłokach walencyjnych.
Pierwszy komputer kwantowy
Pierwszy komputer kwantowy powstał w 1996 roku. Maszyna została opracowana przez Neila Gershenfelda, Isaaca L. Chuanga oraz Marka Kubineca i była ogromnym sukcesem oraz krokiem w stronę dynamicznego rozwoju komputerów kwantowych. Jej działanie opierało się na dwóch kubitach; wykorzystano tutaj magnetyczny rezonans jądrowy NMR.
Algorytm Shora – niezastąpione narzędzie do łamania szyfrów
Chwilę wcześniej, w 1994 roku, nastąpił przełomowy moment w kwestii kwantyzacji komputerów. Opracowano wtedy tzw. algorytm Shora, z którego do dzisiaj często korzystają naukowcy pracujący w dziedzinie kryptografii i kryptoanalizy. Algorytm został zaprezentowany przez Petera Shora, który pokazał, jak można rozłożyć w czasie wielomianowym dowolną liczbę naturalną na czynniki pierwsze, przy użyciu hipotetycznego komputera kwantowego. Opracowanie tego algorytmu było ogromnym wydarzeniem w świecie fizyki i przyczyniło się do dynamicznego rozwoju maszyn kwantowych.
Dzięki algorytmowi faktoryzacji Shora fizycy, informatycy i inżynierowie zrozumieli, że rzeczywisty komputer kwantowy dałby wiele korzyści. Możliwości tradycyjnych maszyn są ograniczone pod wieloma względami. Konieczne jest zatem opracowanie czegoś zupełnie nowego, co pozwoliłoby pokonać granice stawiane przez prawa fizyki.
Istnieją także inne popularne algorytmy kwantowe, które są wykorzystywane między innymi jako metody szyfrowania. To na przykład algorytm Kitajewa z 1995 roku, który znajduje zastosowanie podczas transformacji Fouriera – jest to ważny element przetwarzania sygnałów. Warto zwrócić uwagę także na algorytm Grovera z 1996 roku służący do przeszukiwania dużych baz danych oraz algorytm Simona z 1997 roku, wykorzystywany podczas znajdowania liczb pierwszych.
Kwantyzacja komputerów – w jaki sposób odbywa się przesyłanie informacji za pomocą kubitów?
Komputer kwantowy to bardzo skomplikowane urządzenie, a zrozumienie zasady jego działania może być nie lada wyzwaniem. Przedstawiamy najważniejsze, podstawowe informacje, które pomogą pojąć koncepcje stojące za tym rozwiązaniem.
Jak już wspominaliśmy, podczas kodowania i przesyłania informacji za pomocą komputera kwantowego wykorzystywane są kubity. Czym jest kubit? To najmniejsza, niepodzielna jednostka informacji kwantowej, która różni się od klasycznego bitu tym, że może znajdować się w dowolnej superpozycji dwóch stanów kwantowych – pomiędzy zerem a jedynką. Dopiero podczas pomiaru, czyli obserwacji, można ustalić konkretny stan.
Dzięki temu, że kubit może jednocześnie wyrażać dwie wartości, komputery kwantowe mają ogromny potencjał obliczeniowy, znacznie przeważający możliwości tradycyjnych maszyn. Dysponując dwoma bitami, możemy przedstawić cztery wartości: 00, 01, 10 oraz 11. W przypadku kubitów stan jednostek może być dowolną kombinacją tych czterech stanów. Oczywiście im więcej jednostek informacji kwantowej, tym lepiej. Przyjmuje się, że pojedynczy kubit może przechowywać dwukrotnie więcej informacji niż bit.
Kubity są ze sobą splątane, co pozwala na wykonywanie obliczeń na wszystkich wartościach jednocześnie. Kwantowomechaniczny charakter kubitu wpływa także na rozwiązanie danego problemu. Przez to, że jednostki informacji przyjmują superpozycję zera i jedynki, rozwiązaniem może być grupa wielu ciągów zerojedynkowych. Pomiar (obserwacja) jest początkowo nieokreślony, zatem w różnych przypadkach można uzyskać całkowicie odmienne rezultaty. Taka niepewność pomiarowa wymaga wykonania całej serii obliczeń. Dopiero na tej podstawie można obliczyć ich średnią wartość, która jest na tyle zbliżona do rzeczywistej, że przyjmuje się ją jako dokładny wynik.
Komputer kwantowy od firmy IBM
Duże plany co do budowy komputerów kwantowych ma amerykański koncern informatyczny IBM. Już w 2019 roku firma zaprezentowała maszynę wyposażoną w 5 kubitów – choć wydaje się to niewielką liczbą, jest to imponujący wynik. To także świetny punkt wyjścia do dalszego rozwoju. Chcąc stworzyć komputer kwantowy, który byłby na równym poziomie obliczeniowym co klasyczne maszyny, należałoby użyć zaledwie 25 kubitów. Takie osiągnięcie to kwestia czasu, a IBM postawiło sobie cel stworzenia maszyny wyposażonej w aż 1 000 kubitów do końca 2023 roku.
Co ciekawe, przedsiębiorstwo nie zamierza na tym poprzestać – w planach IBM znajduje się jeszcze komputer kwantowy z milionem kubitów. Tego typu sprzęty mają przydać się podczas opracowywania nowych materiałów i leków, a także zaawansowanych rozwiązań logistycznych.
Zastosowanie komputerów kwantowych. Gdzie można wykorzystać te zaawansowane maszyny?
Podstawową właściwością komputera kwantowego jest niewiarygodna szybkość obliczeń, co bez wątpienia stanowi ogromną przewagę nad klasycznymi rozwiązaniami. Eksperci mają nadzieję, że rozwój maszyn kwantowych przyczyni się powstania wielu nowych możliwości i sposobów rozwiązywania problemów, które do tej pory były wyzwaniem nie do pokonania.
Jedną z wielu dziedzin, w której komputery kwantowe mogłyby być wykorzystywane, jest sztuczna inteligencja. Szybkość i zaawansowanie zachodzących procesów mogłyby zdecydowanie przyspieszyć prace związane z tworzeniem prawdziwego AI. Jest to jednak temat dość kontrowersyjny, tak więc w pierwszej kolejności warto będzie skupić się na bardziej „przyziemnych” zastosowaniach. Komputery kwantowe z pewnością zostaną wykorzystane np. w medycynie podczas badań i diagnostyki, w trakcie opracowywania nowych lekarstw, podczas obliczeń astrofizycznych czy do symulacji struktury molekuł.
