Rozwój technologii przebiega w szybkim tempie. Nowe możliwości rodzą jednak problemy, na które trzeba znaleźć remedium. Jednym z nich jest komputer kwantowy Google. Czym jest? Jak działa? Do czego służy? Na te i inne pytania odpowiadamy w niniejszym artykule.
Historia komputerów kwantowych
By zrozumieć, jak działa komputer kwantowy, niezbędne jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami mechaniki kwantowej. Teoria ta jest uzupełnieniem zasad mechaniki klasycznej, która nie zawsze nadaje się do opisania otaczającego nas świata.
Zagadnieniem mechaniki kwantowej zajmowano się już na przełomie XIX i XX wieku. Prekursorem był niemiecki fizyk Max Planck. Poza nim modele teoretyczne tłumaczące wiele dotychczas niedających się wyjaśnić zjawisk tworzyły tak znamienite postaci, jak choćby Albert Einstein, Niels Bohr i Erwin Schroedinger.
Mechanika kwantowa, w odróżnieniu od klasycznej, odcina się od deterministycznych założeń tej ostatniej. Znane nam ze szkoły prawa fizyki stanowią, że znając początkowy stan układu lub obiektu jesteśmy w stanie przewidzieć również stan końcowy. Taki związek przyczynowo-skutkowy nazywany jest właśnie determinizmem.
Zgodnie z założeniami mechaniki kwantowej nie jesteśmy w stanie przewidzieć końcowego stanu obiektu lub układu. Dzieje się tak ze względu na wielość możliwych stanów, które może on przyjąć. Może przybrać określony stan, wiele z nich lub wszystkie możliwe jednocześnie. Innymi słowy, to co na gruncie mechaniki klasycznej jest pewne, ponieważ wynika z ustalonych praw fizyki, w mechanice kwantowej jest tylko prawdopodobne.
Pod koniec XX wieku ta dziedzina wiedzy stała za ideą stworzenia komputera kwantowego. W latach 70 i 80 o możliwości budowy i wykorzystania takich urządzeń wspomniał jako pierwszy amerykański fizyk Paul Benioff. W 1981 roku inny naukowiec, Richard Feynman, przedstawił publicznie model konwersji systemu kwantowego na komputerowy. Właśnie dlatego to on, a nie Benioff, jest uważany za pioniera koncepcji komputera kwantowego.
Musiało minąć jeszcze kilkanaście lat, nim idea została przekuta w czyn. W 1994 roku Peter Shor zaprezentował swój algorytm pozwalający w czasie wielomianowym na rozkład dowolnej liczby naturalnej na czynniki pierwsze, wykorzystując do tego celu potencjalnie istniejący komputer kwantowy. Wreszcie, w 1996 roku w USA zbudowano pierwszy komputer kwantowy. Jego twórcami byli Neil Gershenfeld, Issac L. Chuang i Mark Kubinec. Jego moc obliczeniowa wynosiła dwa kubity.
Zobacz też: Jak powstał pierwszy komputer? Historia komputerów w pigułce
Zasady działania komputera kwantowego
Wspomniany kubit to klucz do zrozumienia działania i zastosowania komputerów kwantowych. We współczesnej, tradycyjnej (jeśli można ją tak już określać) informatyce najmniejszą jednostką informacji jest bit. Do zrozumienia technologicznej rewolucji, jaką są komputery kwantowe, nakreślić trzeba różnice między bitem a kubitem.
Bity to ciągi zer i jedynek tworzące system binarny. Znane nam komputery pobierają z pamięci zapisane zero-jedynkowym dane, a następnie za pomocą algorytmów zaszytych w oprogramowaniu procesora dają wynik, który jest inną, wynikową kombinacją zer i jedynek.
Zero i jeden to podstawowe stany logiczne budujące dane zapisane i przetwarzane przez komputer. Urządzeniem odpowiedzialnym za przetwarzanie danych jest tranzystor. Najprościej rzecz ujmując, można przyjąć, że wartość 1 odpowiada za włączenie tranzystora a 0 za jego wyłączenie. W systemie binarnym nie istnieją stany pośrednie między tymi wartościami.
Wadą systemu binarnego jest konieczność stosowania do skomplikowanych obliczeń miliardów mikroskopijnych tranzystorów. Liczba tranzystorów podwaja się co dwa lata, co skutkuje dalszym ich zmniejszaniem. Rozmiar tranzystora dochodzi już do granicy nanometra a za zmianę jego stanu (zero-jeden) odpowiedzialna może być już pojedyncza cząstka elementarna, czyli elektron. Miniaturyzacja nie może jednak trwać w nieskończoność.
Rozwiązaniem jest właśnie kubit (quantum bit). Jest to niepodzielna, najmniejsza cząstka informacji kwantowej. W przeciwieństwie do bitu kubit nie podlega ograniczeniu znajdowania się w pozycji tylko 0 lub 1. Zgodnie z niedeterministycznym charakterem mechaniki kwantowej opisanym w poprzednim akapicie kubit może przybrać obie te wartości naraz oraz nieskończoną ilość stanów pośrednich, czyli superpozycję. Nie ma bowiem ustalonej z góry wartości. Prowadzi to do splątania. Zamiast dwóch wartości, czyli 0 i 1 jeden kubit może przyjąć ich cztery (00, 01, 10, 11). Większa ilość kubitów jest więc prostą ścieżką do miliardów splątań.
Skomplikowana teoria przekłada się na bardziej zrozumiałą praktykę. Znane nam komputery, tak samo, jak ludzie, wykonują obliczenia liniowo, jedno po drugim. Dzięki kubitom komputer kwantowy może wykonywać wiele obliczeń naraz. Pozwala to na wykonywanie w krótkim czasie niezwykle złożonych operacji, które inny komputer, nawet o ogromnej mocy obliczeniowej, wykonywałby latami.
Zobacz też: Co to jest uczenie maszynowe? Machine learning w pigułce
Fizyczną formą kubita jest pętla z nadprzewodzącego drutu, w którym prąd płynie jednocześnie w obu kierunkach. Po połączeniu ich większej liczby z rezonatorami mikrofalowymi kontroluje się je przy pomocy wiązek światła o określonej częstotliwości.
Tak jak wspomnieliśmy na początku tekstu, mechanika kwantowa opiera się na prawdopodobieństwie wystąpienia danego stanu. Nie inaczej jest z obliczeniami wykonywanymi przez komputer kwantowy. Przetwarzanie danych przez jeden kubit daje losowy wynik. Gdy jednak liczba kubitów się zwiększa, ich splątanie wywołuje interferencję kwantową generującą powtarzanie się określonych ciągów danych. Ten właściwy ustala się, dokonując pomiaru częstości występowania każdego z nich. Powtarzający się wynik uznaje się za najbardziej prawdopodobny, czyli właściwy. Choć nie brzmi to dobrze, jest szansą na wykonywanie działań, których dokładnego wyniku i tak w inny sposób nigdy byśmy nie poznali.
Komputer kwantowy Google — najważniejsze informacje
Obecnie wiele firm pracuje nad stworzeniem własnego komputera kwantowego. Jednym z nich jest Google. O istnieniu takiej maszyny koncern poinformował w roku 2019.
Lata rozwoju tej gałęzi wiedzy doprowadziły do powstania znacznie wydajniejszych niż 2-kubitowe komputerów kwantowych. Zespół inżynierów z Quantum AI Lab zbudował komputer z procesorem Sycamore złożonym z 54 kubitów.
Ambicje kierownictwa firmy sięgają jednak wyżej. Celem jest stworzenie komputera o mocy obliczeniowej 1 mln kubitów z korekcją błędów, które są jedną z największych bolączek tej raczkującej technologii.
Najważniejsze osiągnięcia komputera kwantowego Google’a
Moc obliczeniową swojej maszyny Google sprawdził, wykonując dwa eksperymenty.
Przy użyciu swojego komputera kwantowego Google dokonało m.in. sprawdzenia, czy losowo wygenerowany w systemie dwójkowym ciąg cyfr rzeczywiście jest przypadkowy. Choć może nie brzmi to imponująco, to na wyobraźnię może działać fakt, że maszyna Google’a osiągnęła to w czasie 3 minut i 20 sekund. Najpotężniejszemu obecnie standardowemu komputerowi IBM Summit zajęłoby to 2,5 dnia. Pokazuje to, że w komputerach kwantowych drzemie ogromna moc.
Kolejnym pokazem możliwości była symulacja zmian konfiguracji atomu w diazenie. Jest to związek chemiczny dwóch atomów azotu. Do każdego z nich dołączony jest atom wodoru. Całość jest zespolona wiązaniem podwójnym. Celem doświadczenia było określanie energii wiązań wodoru w coraz większych łańcuchach. Zadanie to, niemal niemożliwe do wykonania dla konwencjonalnych komputerów, maszyna kwantowa Google wykonała bardzo szybko. Do tego celu wykorzystała zaledwie 12 z 53 kubitów (jeden okazał się wadliwy).
Powyższe eksperymenty nie miały praktycznego zastosowania. Ich celem było jedynie sprawdzenie możliwości, jakie oferują te maszyny przyszłości. Ich komercyjne zastosowanie jest jednak jak najbardziej możliwe w wielu dziedzinach gospodarki.
Przykłady wykorzystywania komputerów kwantowych
Nie tylko akademicy mogą wykorzystać potencjał komputerów kwantowych. Rosnąca z każdą sekundą ilość informacji już dziś prowadzi do wielkich trudności z ich wyszukiwaniem. Błyskawicznie działający komputer kwantowy może pomóc w wyszukiwaniu informacji w ogromnych bazach danych.
Zainteresowany komputerami kwantowymi jest również sektor finansowy. Możliwość przewidzenia wszystkich możliwych scenariuszy na giełdzie umożliwiłaby inwestowanie wielkich środków pieniężnych przy mniejszej groźbie niepowodzenia inwestycji.
Inną branżą, w której tego typu maszyny mogłyby być użyteczne, jest medycyna. Symulacja struktur chemicznych leków pomogłaby przewidzieć potencjalnie niepożądane skutki ich stosowania z milionami innych medykamentów w przypadku każdej możliwej choroby, wieku i trybu życia pacjenta.
Na niezwykłej mocy komputerów kwantowych skorzysta również branża logistyczna. Przyspieszenie analizy wszystkich możliwych tras przejazdu samochodów dostawczych to znaczne ograniczenie kosztów prowadzenia działalności.
Dzięki rozwojowi kwantowej technologii przyspieszyć może także rozwój uczenia maszynowego sztucznej inteligencji, z czego skorzystają przedsiębiorstwa z branży IT.
Czy skorzystają na tym użytkownicy indywidualni? Pośrednio tak. Nie można jednak wyobrażać sobie, że komputery kwantowe zastąpią znane nam jednostki na naszych biurkach. Wynika to z wady, jaką jest nietrwałość układu kwantowego.
Do zmierzenia parametrów kubitu potrzebne są specyficzne warunki otoczenia. Wpływ czynników środowiska, w jakim żyjemy, zakłóca stan superpozycji. Rezultatem jest ryzyko otrzymania fałszywego wyniku. Do zmiany stanu elektronu lub jonu atomu między wartościami 0 i 1 potrzebne jest wykorzystanie wiązki światła, lub pola magnetycznego o wartości 50 000 razy niższej niż pole magnetyczne Ziemi.
Kolejnym problemem jest zapewnienie właściwej temperatury i ciśnienia. Komputer kwantowy działa prawidłowo w okolicach zera bezwzględnego (0 K, czyli stopni Kelvina, -273,15 stopni Celsjusza). Właściwym ciśnieniem jest z kolei wartość 10 mld mniejsza niż ciśnienie atmosferyczne Ziemi.
Najsłynniejsze komputery kwantowe
Oprócz urządzenia Google’a na świecie istnieją jeszcze inne komputery kwantowe. Ile? Tego nie wiemy. Zapewne część tego typu maszyn jest znana tylko wąskiemu gronu wybrańców ze względu na możliwości wykorzystania ich nie tylko do dobrych celów. Nad swoimi jednostkami zapewne pracują rządy wielu państw, by w przyszłości wykorzystać je do łamania szyfrów. Przyjrzyjmy się więc tym, o których wiedza jest powszechnie dostępna.
Należący do amerykańskiego giganta technologicznego komputer kwantowy IBM Quantum System One z 65-kubitowym procesorem umożliwia udostępnianie kwantowej mocy obliczeniowej w chmurze.
Słabszą, 20-kubitową wersję tego komputera zakupiła klinika w Cleveland w USA. Ma to jej pomóc w badaniach prowadzonych przy tworzeniu nowych leków.
Koncern ten nieustannie pracuje nad ulepszeniem swojej technologii. Celem jest stworzenie komputera o mocy miliona kubitów.
Swój komputer kwantowy posiada również amerykański koncern przemysłowy Honeywell. Jego 64-bitowa maszyna zainteresowała m.in. bank JP Morgan, który zamierza wykorzystać go do tworzenia modeli oszustw finansowych.
Kolejną z firm jest D-Wave. Jest to kanadyjskie przedsiębiorstwo powstałe jako spółka badawcza Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej. Obecnie działa w pełni samodzielnie.
Zobacz też: Wirtualna rzeczywistość – co to jest? Wszystko, co musisz wiedzieć o virtual reality – kompleksowy poradnik
Najnowsza maszyna firmy, D-Wave 2000Q wyposażona jest w procesor z 2048 kubitami. Różnica między tym komputerem a rozwiązaniami konkurencji może wydawać się miażdżąca. Wynika ona jednak z innej technologii w nim zaimplementowanej — wyżarzania kwantowego. O ile więc komputery Google’a, Honeywell czy IBM mogą rozwiązywać dowolne problemy, tak D-Wave pomaga „jedynie” rozwiązywać problemy z optymalizacją, np. tras. Z tego względu jednym z nabywców tego urządzenia jest Volkswagen Group.
Mechanika kwantowa wykracza poza zrozumiałe dla nas granice percepcji. Jej zrozumienie odmieni jednak oblicze technologii i skieruje postęp na niedostępne dotąd dla ludzkości ścieżki.
Komentarze 
Kolejna maszynka do wyciągania pieniędzy od innych.