Jak zmieni nasze życie komputer kwantowy?

Choć komputery kwantowe, gdy już finalnie powstaną, raczej nie będą używane w domach, ale wystarczy tylko kilka takich maszyn, aby całkowicie zmienić życie na Ziemi.

W lutowym wydaniu miesięcznika Focus tematem numeru jest bardzo ciekawy artykuł pt. „7 rzeczy, które zmieni komputer kwantowy” autorstwa Jana Stradowskiego i Marcina Bójki. Poruszają oni w nim wciąż rozwijaną technologie komputerów kwantowych i potencjalnych możliwości jakie niesie ich powstanie.

W 1943 roku Thomas Watson, ówczesny szef firmy IBM twierdził, że na całym świecie będzie zapotrzebowanie może na 5 komputerów… Jego prognoza się nie sprawdziła i jest wyśmiewana do dziś – ale po części mógł mieć trochę racji!

IBM, Google, Microsoft, Alibaba i kilka innych firm pracuje dziś nad prototypowymi komputerami kwantowymi, które w ciągu dekady zmienią świat! W wydanej 17 lat temu książce Na skróty przez czas George Johnson przewidywał, że obliczenia kwantowe zrewolucjonizują technikę obliczeniową w takim stopniu, jak wyzwolenie energii jądrowej odmieniło oblicze energetyki i zbrojeń. I ta wizja jest coraz bliższa realizacji!


Google ogłosiło niedawno, że osiągnęło tzw. kwantową supremację – zbudowany przez firmę komputer Sycamore pierwszy raz okazał się szybszy niż klasyczna maszyna bazująca na krzemowych procesorach. Sycamore w 3 m 20 s wykonał obliczenia, na które wykorzystywany przez NASA komputer Summit musiałby przeznaczyć 10 tys. lat! Robi wrażenie, prawda?

Google zaprezentowało supremację kwantową na Sycamore (Sundar Pichai)

Google zaprezentowało supremację kwantową na Sycamore (Sundar Pichai)

IBM Q System One to jeden z pierwszych komercyjnie dostępnych komputerów kwantowych na świecie – ma rozmiary podobne do dużej szafy, Całośc zamknięta jest w hermetycznym szklanym sześcianie o boku długości 275 cm. Ten komputer zawiera 20 kwantowych bitów, zwanych kubitami, i służy wyłącznie do celów naukowych. Dostęp do niego jest możliwy zdalnie, za pośrednictwem internetu.

IBM Q System One

IBM Q System One

Nasza cywilizacja funkcjonuje dziś w dużym stopniu dzięki komputerom i danym, które one przetwarzają. A w przypadku, gdy potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa – tak jak w przypadku gigantycznych ilości danych produkowanych w akceleratorach CERN lub podczas symulowania działania mózgu w komputerze – stosowana dotychczas technologia krzemowa przestaje się sprawdzać. Słynny Deep Blue, który w 1997 r.pokonał mistrza szachowego  Garriego Kasparowa, miał 256 mikroprocesorów, a przed wykonaniem każdego ruchu analizował 25 mln możliwych pozycji – gdyby był zbudowany z procesorów kwantowych, byłby 25 mln razy szybszy!

Jednak fizyka kwantowa to dziedzina, w której do dziś jest wiele niewiadomych!

Jak działa komputer kwantowy?

Klasyczne maszyny liczące wykonują obliczenia szeregowo, czyli kolejno przeprowadzają operacje na liczbach. Komputery kwantowe wykorzystują skomplikowane zjawiska fizyczne, by prowadzić obliczenia równoległe. Służą do tego programy zwane algorytmami kwantowymi.

Jak działa komputer kwantowy?

Jak działa komputer kwantowy? (fot. Focus 2/2020)

  1. Układy wykonujące obliczenia muszą być odizolowane od otoczenia i schłodzone do bardzo niskich temperatur. Zapewnia to tzw. kriostat, który wyglądem przypomina ozdobny żyrandol.
  2. Kwantowe bity (kubity) znajdują się na niewielkich płytkach wytwarzanych metodami podobnymi do tych stosowanych przy produkcji klasycznych procesorów.
  3. Kubity można zbudować z pojedynczych cząstek elementarnych, takich jak elektrony, z atomów albo z nieco większych obiektów – pętelek z nadprzewodników, w których płynie nieustannie prąd.
  4. Stan kubitów można zmieniać za pomocą impulsów promieniowania mikrofalowego. Docierają one do nadprzewodzącej części kubitu metalowymi „przewodami ”, ustawiając go np. w stanie superpozycji lub splątania z innym kubitem.

Może Cię zainteresować także:

IBM prezentuje listę 5 innowacji na kolejne 5 lat

Według autorów komputery kwantowe będą miały ogromny wpływ na bardzo wiele dziedzin i obszarów naszego życia, w tym:

  1. Logistyka – szybsze dostawy, mniej korków.
  2. Chemia – ekologiczne nawozy, skuteczniejsze leki.
  3. Fizyka – nowa energia, nowe cząstki.
  4. Prognozy – modelowanie mózgu i ekonomii.
  5. Komputery – szybsza i skuteczniejsza sztuczna inteligencja.
  6. Komunikacja – szyfrowanie nie do złamania.
  7. Kosmologia – poszukiwanie wszechświatów równoległych.

Co spowalnia rozwój technologii komputerów kwantowych?

Pierwszy komputer operujący na kubitach, czyli kwantowych bitach, powstał 30 lat temu. Jednak konstruktorzy musza pokonać wiele przeszkód, zanim ta technologia znajdzie praktyczne zastosowanie.

Obecne procesory kwantowe zawierają niewiele ponad 50 kubitów. Wykonują obliczenia, które służą jednak bardziej demonstracji możliwości nowych technologii niż czemukolwiek innemu. Naprawdę użyteczny komputer powinien zawierać co najmniej 100 kubitów. Jest to jednak bardzo trudne do osiągnięcia, ponieważ kubity działają tylko w specyficznych warunkach – najczęściej potrzebują wysokiej próżni i bardzo niskich temperatur. Dlatego maszyny kwantowe zajmują dużo miejsca i wyglądają bardziej jak aparatura chemiczna niż komputer.

Na procesor kwantowy bardzo zły wpływ mają wszelkie zmiany, na przykład skoki temperatury czy szumy elektromagnetyczne wytwarzane przez inne części komputera. Każde takie zakłócenie może doprowadzić do skasowania obliczeń albo, co gorsza do wystąpienia w nich błędów!

Aparatura chłodząca (po lewej) i procesor kwantowy w powiększeniu (po prawej)

Procesor kwantowy jest niewielki, jednak do działania potrzebuje sporych rozmiarów aparatury chłodzącej.

W świecie fizyki kwantowej nie mamy do czynienia z „twardymi” liczbami, a jedynie z prawdopodobieństwami. Dlatego komputery kwantowe często dają błędne wyniki. Niektórzy naukowcy twierdzą, że zbudowanie jednego procesora mieszczącego setki czy tysiące kubitów jest w ogóle niemożliwe. Prace utrudnia tez fakt, że jest to na razie bardzo niszowa dziedzina.

Niewiele firm dostarcza też elementy niezbędne do zbudowania takiej maszyny! Na wyspecjalizowaną chłodziarkę umożliwiającą osiągnięcie temperaturę bliską zera absolutnego czeka się miesiącami, a okablowanie komputera kwantowego, zbudowanego z nadprzewodzących materiałów zdolnych do przesyłania precyzyjnych impulsów mikrofalowych  wytwarza na razie tylko jedna firma na świecie znajdująca się w Japonii.

Kiedy pojawią się użyteczne komputery kwantowe?

Chciałbym to wiedzieć! Na razie inwestorzy wydają coraz więcej pieniędzy na firmy zajmujące się komputerami kwantowymi, ale jeśli nie zobaczą szybko zysków, mogą się wycofać – a wtedy rozwój tej technologi może znacząco spowolnić albo czeka go zastój.

Podsumowanie

Wielkie firmy wiedzą, że ten kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją. Komputery bazujące na tej technologii będą bardzo szybko przeszukiwać ogromne ilości danych oraz pozwolą na modelowanie złożonych zjawisk fizycznych i biochemicznych.

Póki co, takich komputerów jest na świecie zaledwie kilka. Dostęp do nich mają tylko naukowcy i informatycy, którzy pracują nad udoskonaleniem maszyn kwantowych i próbują nauczyć się jak pisać na nie oprogramowanie. Nasze pokolenie raczej nie doczeka się „kubiterów” (to taka moja nazwa komputerów kwantowych :) w domu albo kieszeni (tak jak smartfony) – dostęp do nich będzie możliwy za pośrednictwem internetu i tylko, gdy zajdzie potrzeba wykonania skomplikowanych obliczeń.

Przeczytaj także: Kwantowe łącze satelitarne odporne na podsłuchy

Jak zaznaczają autorzy artykułu przewidywania Thomasa Watsona mogą się ziścić, ale zanim to nastąpi czekają nas bardzo przełomowe zmiany technologiczne.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat siedmiu dziedzin naszego życia, które zmienią komputery kwantowe, zachęcam do zapoznania się z pełną treścią artykułu w miesięczniku Focus 2/2020.

źródło tekstu: Focus 2/2020 – „7 rzeczy, które zmieni komputer kwantowy”, Jan Stradowski i Marcin Bójko