Kwantowa technologia już tu jest
"Przełom" - to słowo często powtarzane w tytułach prasowych dotyczących komputerów kwantowych. Naprzemiennie podaje się przy tym innych jego ojców: najczęściej to IBM, Google lub naukowcy z Chin. Czy jednak faktycznie jest się czym ekscytować i czym w ogóle jest komputer kwantowy? O związane z tym zagadnienia Next.Gazeta.pl spytał specjalistkę w dziedzinie mechaniki kwantowej, profesorkę Marzenę Szymańską z University College London, liderkę merytoryczną w projekcie EUCENTRAL.
Czym są komputery kwantowe?
W maszynach kwantowych obowiązują zasady mechaniki kwantowej często odmienne od tego, do czego przyzwyczaiła nas intuicja. - Komputer klasyczny działa na 0 i 1. Jest to binarny system z dwiema wartościami. W komputerze kwantowym mamy superpozycję, co oznacza, że kubit (odpowiednik bitu) może znajdować się w nieskończonej liczbie stanów pomiędzy. Dzięki temu równocześnie możemy przeprowadzać znacznie więcej operacji w tym samym czasie. Jeden logiczny kubit (trzymający informację) składa się z setek fizycznych kubitów. W tej chwili możemy mówić o maszynach posiadających jeden czy dwa logiczne kubity. Również algorytmy na komputery kwantowe są inne niż na komputery klasyczne. Obecnie wielu naukowców zajmuje się wymyślaniem algorytmów już na przyszłe komputery kwantowe - stwierdza prof. Marzena Szymańska.
Czy komputery kwantowe już istnieją?
- Są już urządzenia, które wykorzystują mechanikę kwantową, ale w mniejszym zakresie niż prawdziwy komputer kwantowy (tzw. universal quantum computer). Czyli nie mamy maszyn w rozumieniu takim jak komputer klasyczny. Mamy już natomiast symulatory czy sensory kwantowe - mówi prof. Szymańska. Wspomniany uniwersalny komputer kwantowy (lub kwantowa maszyna Turinga) to taki rodzaj maszyny, na której będzie możliwe zrealizowanie dowolnego algorytmu kwantowego z dowolnie małym błędem. Obecny sprzęt wciąż posiada zbyt wiele ograniczeń zarówno jeśli chodzi o moc obliczeniową, jak i odporność na zakłócenia. Stany kwantowe są bowiem bardzo "kruche" i podatne na drobne nawet wpływy środowiska (dekoherencja). Mimo to urządzenia tego rodzaju już mają mnóstwo zastosowań.
Zakłócenia sygnału GPS nad Polską, sensory kwantowe i wojsko. "To już działa"
Zakłócenia sygnału GPS nad Polską i innymi krajami Europy Środkowo-Wschodniej to aktualny i istotny temat (podejrzenia kierowane są pod adresem Rosji, która się do tego nie przyznaje). Podobne problemy zgłasza nawet kilkadziesiąt procent pilotów. Rozwiązaniem mogą być sensory kwantowe. - Sensor kwantowy w samolocie nie potrzebuje GPS-u. Wyczuwa on nawet minimalne różnice w natężeniu pola grawitacyjnego i magnetycznego (których mapę posiadamy), czego nie byłby w stanie wychwycić zwykły czujnik. To umożliwia maszynom orientację w terenie bez używania GPS. Sensory stosowane są też w medycynie, np. w wojsku. Specjalne urządzenie nakładane na głowę sprawdza, czy żołnierze nie są za bardzo narażeni na obrażenia tej części ciała w trakcie ćwiczeń. To już działa. Obecnie głównie w wojsku, ale zastosowania komercyjne też się pojawiają. Duże firmy geologiczne mogą sobie pozwolić na to, aby przy pomocy sensorów kwantowych poszukiwać złóż minerałów czy ropy. Komercyjne zastosowania pojawiają się już także w dziedzinie komputerów kwantowych, pomimo że ciągle są one niedoskonałe (np. programuje się je konkretnie pod dany problem). Na tych prototypach można wykupić czas dostępu poprzez chmurę. Warto jednak pamiętać, że nie jest to tanie i lepiej mieć dobrze sformułowany problem, który chcemy dzięki kwantowej maszynie rozwiązać - zauważa specjalistka z University College London.
Obawy banków i symulacje chemiczne
Potencjał tego rodzaju komputerów budzi obawę, jeśli chodzi o bezpieczeństwo danych. Czy maszyny kwantowe faktycznie mogą stać się narzędziem służącym do kradzieży pieniędzy z bankowych kont? - Raczej nie trzeba się obawiać, że tego rodzaju maszyny szybko rozpracują bankowe zabezpieczenia oparte o faktoryzację liczb (rozkład na czynniki pierwsze), bo to wbrew pozorom bardzo trudny problem. O wiele szybciej będą one przydatne np. przy symulacji reakcji chemicznych, tworzeniu nowych leków czy w materiałoznawstwie. Metody typu MBE (Molecular beam epitaxy) pozwalają np. uzyskiwać nowe materiały półprzewodnikowe, są jednak bardzo kosztowne. Tymczasem quantum simulator to jest taki inny układ fizyczny, ale cały czas układ fizyczny, który istnieje w laboratorium tak samo, jak ten materiał, ale jest prostszy i łatwiejszy w kontroli. W symulatorze kwantowym możemy kontrolować i zmieniać każdy element i sprawdzać, co wyszło. Symulator może nam powiedzieć, co naprawdę jest istotne, żeby uzyskać dany materiał (np. nadprzewodnik wysokotemperaturowy). To trochę jak z klockami - mogę dodawać i odejmować rzeczy, sprawdzając, jak to wpływa na właściwości materiału - mówi prof. Szymańska.
Doskonałe narzędzie do optymalizacji tras i nie tylko
O ile w większości zastosowań wciąż umiejętności maszyn kwantowych są porównywalne z komputerami klasycznymi, to w jednej powoli zaczynają sobie radzić lepiej. - Komputery kwantowe są też bardzo dobre do problemów optymalizacyjnych np. dla dużych firm logistycznych. Jednym z przykładów są problemy typu TSP (ang. travelling salesman problem - problem komiwojażera), czyli jeśli np. trzeba objechać wiele punktów i jak najlepiej to zrobić (oszczędzając drogę, czas czy paliwo). Innym przykładem jest optymalizacja zysku i ryzyka przez banki. Tutaj komputery kwantowe są porównywalne z najlepszymi klasycznymi, ale w niedalekiej przyszłości będą lepsze - wyjaśnia prof. Szymańska.
Stosuje się różnorodne rozwiązania
Niedawno IBM ogłosił, że firma planuje stworzyć sprzęt z o wiele większą niż obecnie odpornością na błędy. IBM Quantum Starling miałby umożliwiać wykonywanie 20 tys. razy większej liczby operacji kwantowych niż jego aktualne odpowiedniki. Wiele szczegółów nie zostało jeszcze ujawnionych, ale istnieje kilka głównych technologii na tworzenie maszyn kwantowych, więc być może amerykański gigant wykorzysta jedną z nich. - To są różne pomysły. Jednym z nich jest superconducting circuit, czyli zwykłe układy elektroniczne umieszczane w bardzo niskich temperaturach, co pozwala na uzyskanie w układzie stanów kwantowych. Bierzemy dwa z tych stanów kwantowych (nasz kubit może być w superpozycji dwóch z tych stanów). Inną technologią są atomy rydbergowskie z elektronami na bardzo wysokich powłokach. Można je łatwiej kontrolować i wprowadzać w superpozycję. Buduje się też maszyny bazujące na fotonach. Jednak wszystkie z tych rozwiązań mają swoje zalety, ale i wady. Problemem są zaburzenia z zewnątrz, które mogą doprowadzić do dekoherencji, czyli "popsucia" stanu kwantowego. Próbuje się temu na różne sposoby przeciwdziałać. W komputerach klasycznych mamy metody korygowania błędów. W komputerach kwantowych jest z tym niestety trudniej. Jak do tej pory nie jesteśmy w stanie stworzyć komputera, w którym czas koherencji jest bardzo długi i możemy zapomnieć o kłopotach z dekoherencją - wymienia obecne technologie prof. Szymańska.
Czy osiągnęliśmy już supremację kwantową
Pojęcie supremacji kwantowej (ang. quantum supremacy) pojawiło się po raz pierwszy jeszcze w latach 80., choć do masowej świadomości przedostało się dopiero w 2011 roku za sprawą amerykańskiego fizyka Johna Preskilla. Co właściwie oznacza ten termin i czy można go już odnosić do współcześnie istniejących maszyn? - Quantum supremacy oznacza, że komputer kwantowy rozwiązałby problem, którego maszyna klasyczna nie byłaby w stanie rozwiązać lub rozwiązałaby wolniej. Wiele firm ogłaszało już, że osiągnęły quantum supremacy, jednak później okazywało się, że dobry algorytm na jakimś superkomputerze dawał ten sam rezultat. Moim zdaniem nie zostało to jeszcze osiągnięte, czyli że każdy problem komputer klasyczny (przy odpowiednim algorytmie) jest w stanie rozwiązać zadanie nawet szybciej. Po prostu obecne komputery kwantowe są jeszcze na tyle niedoskonałe, że wciąż przegrywają z klasycznymi. To jednak tylko kwestia czasu - uważa badaczka z londyńskiej uczelni.
Kto dokona przełomu w technologii kwantowej?
Wiele wskazuje na to, że za postęp w dziedzinie komputerów kwantowych odpowiedzialne będą głównie prywatne firmy, choć w Chinach za tworzenie maszyn z serii Zuchonghzi odpowiada Uniwersytet Nauki i Technologii w Heifei. - To wymaga dużych kosztów i nakładów. Firmy takie jak IBM mają ogromne zyski z innych dziedzin, a dodatkowo rozwijają technologię komputerów kwantowych. Kosztowny jest niekoniecznie sam chip, a cały rozwój technologii. I za to się płaci. Obecnie jednak nie trzeba posiadać swojego komputera, żeby z niego skorzystać - można kupić czas, naukowcy często uzyskują go za darmo w ramach współpracy. W rozwoju maszyn kwantowych jest też ogromny zastrzyk finansowy ze strony państw np. Unii Europejskiej, Wielkiej Brytanii czy Stanów Zjednoczonych - wyjaśnia prof. Szymańska.
Technologia kwantowa w Polsce
Komputery kwantowe rozwija się także w Polsce. Na Politechnice Wrocławskiej uruchomiono w maju tego roku pierwszy w kraju i tej części Europy komputer oparty o technologię kubitów nadprzewodzących w niskiej temperaturze o nazwie "Odra 5". Maszyna zostanie udostępniona naukowcom, doktorantom i studentom. Sprzęt dostarczyła firma IQM, a model "IQM Spark" waży półtorej tony i ma 3 metry wysokości. W czerwcu w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym (PCSS) zainstalowano kolejną maszynę kwantową "PIAST-Q", tym razem opartą na technologii spułapkowanych jonów. Komputer będzie zajmował się takimi zagadnieniami jak kwantowa optymalizacja, materiałoznawstwo, chemia czy uczenie maszynowe. Jednak wspierane są również zagadnienia teoretyczne, a jedna z polskich uczelni otrzymała na ten cel dotacje unijne. - Niedawno Instytut CFT PAN (Centrum Fizyki Teoretycznej PAN) otrzymał grant od Unii Europejskiej z programu na rozwój metod do technologii kwantowej. To ponad 2 miliony euro. To głównie pieniądze na rozwój grupy, która będzie zajmować się modelowaniem komputerów kwantowych, rozwijaniem oprogramowania na tego typu maszyny, a nawet oprogramowania na komputery klasyczne (których używa się przy projektowaniu sprzętu kwantowego). Podobnie jak w fizyce jest tu wyraźny podział na teoretyków i eksperymentatorów - tłumaczy prof. Szymańska.
Czy komputery kwantowe uzyskają kiedyś świadomość?
Możliwość uzyskania świadomości (samoświadomości) przez AI jest szeroko debatowana nie tylko wśród specjalistów. Choć nie mamy żadnej potwierdzonej teorii w tym zakresie, to niektórzy naukowcy (w tym wybitny fizyk i laureat Nagrody Nobla sir Roger Penrose) uważają, że działania mózgu oraz istnienia świadomości nie da się wyjaśnić bez odwołania się do mechaniki kwantowej. Czy w takim razie komputery kwantowe, w połączeniu ze sztuczną inteligencją, mogą kiedyś zyskać tę unikatową cechę? - Moim zdaniem, gdyby połączyć komputer kwantowy oraz AI i sieci neuronowe, to w przyszłości nie można tego wykluczyć. Nie sądzę, żeby samo AI mogło mieć świadomość, ale gdybyśmy to połączyli z efektami kwantowymi, to bardziej byłaby szansa uzyskać coś, co przypomina w działaniu ludzki mózg, który również wydaje się kwantowy (w przeciwieństwie do samej AI). To musiałaby być jednak maszyna kwantowa znacznie bardziej złożona niż obecne modele - podsumowuje prof. Marzena Szymańska.
Czytaj też: Uruchomili superkomputer kwantowy "Odra 5". Pierwszy w tej części Europy. "Wspaniała rzecz"
Źródła: Nature, Quantum Zeitgeist, IBM
