Topic: Poznajmy technologię – jak działa komputer kwantowy?
W rozwoju komputerów i mikroprocesorów w ciągu kilkudziesięciu lat dokonano ogromnego postępu. Jednak współczesne pecety mają ograniczone możliwości obliczeniowe. Część zadań, które przed nimi stawiamy, stanowi zbyt duże wyzwanie, a wyników obliczeń nie da się uzyskać w rozsądnym czasie.
Dlatego też coraz bardziej realną nadzieją na pokonanie tych barier są komputery kwantowe. Dzielą one z klasycznymi komputerami podstawowe zasady działania, aczkolwiek dzięki korzystaniu z praw fizyki kwantowej będą one osiągały o wiele większe moce obliczeniowe. Ich podstawowa zasada działania jest podobna do komputerów klasycznych. A jednocześnie bardzo odmienna, bo opiera się na prawach fizyki kwantowej, nierzadko sprzecznych ze zdrowym rozsądkiem.
Na podstawowym poziomie klasyczne komputery działają w bardzo prosty sposób. Pobierają z pamięci dane będące ciągiem zer i jedynek (bitów), przetwarzają je za pomocą ustalonego algorytmu (oprogramowania procesora), który na wyjściu daje wynik będący inną kombinacją zer i jedynek (wynikiem operacji dodawania i odejmowania). Zero i jedynka to dwa podstawowe stany logiczne, z których zbudowane są wszystkie dane zapisane w komputerze. Za pomocą systemu binarnego, z kombinacji ośmiu bitów (tzw. bajt) można stworzyć 255 różnych liter, cyfr i znaków, które oglądamy na monitorze komputera.
Moc obliczeniowa – co ma na nią wpływ?
Od strony technicznej reprezentacją zer i jedynek są tranzystory – stan włączony odpowiada przechowywaniu cyfry 1, a wyłączony 0. Układy tranzystorów tworzą bramki logiczne wykorzystywane do obliczeń matematycznych.
Za mocą obliczeniową współczesnych procesorów stoją układy złożone z miliardów tranzystorów mieszczących się na powierzchni paznokcia. Aby było to możliwe pojedynczy tranzystor ma rozmiar kilku nanometrów i wciąż jest pomniejszany. Odbywa się to zgodnie z prawem Moore’a ustalonym w 1960. Według jego twórcy liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się co 18 miesięcy (aktualnie co 2 lata). Taki właśnie postęp obserwujemy, choć obecnie ulega on spowolnieniu. Przyczyną jest zbliżanie się do granicy, w której tranzystor będzie miał rozmiar pojedynczego atomu, a do przełączania jego stanu od 0 do 1 będzie służył pojedynczy elektron (zamiast wiązki elektronów, jak to jest obecnie).
Pomijając kłopoty związane z wyprodukowaniem tak małych tranzystorów, prawdziwym problemem jest nietypowe zachowanie pojedynczych atomów i elektronów – „dziwne” zjawiska kwantowe, którym podlegają. Podczas gdy klasyczny tranzystor (bit) może przyjmować tylko wartość 0 lub 1, cząstka będąca bitem kwantowym (kubitem) może znajdować się w stanie 1 i 0 równocześnie (uściślając, może znajdować się też w nieskończonej liczbie stanów między 1 a 0), to tzw. superpozycja. Dopiero w momencie pomiaru (sprawdzenia wartości) kwantowy bit przyjmuje jeden dwóch stanów podstawowych – 0 lub 1. Teoretycznie to niewielka różnica, bo wynik obliczeń nadal daje ustaloną wartość (a nie rozmytą wartość z przedziału 0-1), jednakże kwantowy bit znajdujący się w stanie superpozycji może w trakcie obliczeń wykonywać wiele poleceń jednocześnie – podczas gdy klasyczny komputer działa liniowo, przechodząc od jednego obliczenia do kolejnego.
Jak duże jest to ograniczenie, można przekonać się na przykładzie słynnej partii szachów między Garrim Kasparowem a komputerem Deep Blue. Plansza do szachów ma 10120 kombinacji układu układfigur. Gdyby klasyczny komputer, nawet złożony z 256 pracujących równolegle procesorów (jak w Deep Blue), chciał sprawdzić wszystkie możliwe kombinacje i wybrać najbardziej korzystną, to potrzebny na to czas przekraczałby historię istnienia Wszechświata. W czasie trzech minut, przeznaczonych na ruch, Deep Blue był w stanie sprawdzić „tylko” 60 milionów kombinacji (choć ostatecznie i tak pokonał arcymistrza).
Podobne ograniczenie komputery klasyczne napotykają w przypadku łamania szyfrów, np. wykorzystywanego podczas internetowych zakupów szyfrowania RSA. Używany w nim klucz jest tworzony przez mnożenie dużych liczb pierwszych, co w wyniku daje bardzo długą sekwencję cyfr. Złamanie szyfrowania polega na odgadnięciu dwóch liczb pierwszych i jest możliwe nawet na klasycznym komputerze, jednakże zajęłoby to niemalże całą wieczność. Maszyna kwantowa (złożona z kilku tysięcy kubitów zamiast miliardów tranzystorów) poradzi sobie z zadaniem w kilka minut. Istnieją uzasadnione podejrzenia, że wywiady czołowych mocarstw już teraz gromadzą zaszyfrowane wiadomości w nadziei, że za kilka-kilkanaście lat będą mogły je odczytać za pomocą komputerów kwantowych. W dokumentach ujawnionych przez Edwarda Snowdena jest mowa o blisko 80 mln dolarów, które amerykańska National Security Agency (NSA) przeznaczyła na prace nad stworzeniem komputera kwantowego. Oprócz ośrodków naukowych swoje projekty tego typu mają, m.in. Google czy NASA.
Jak działa komputer kwantowy?
Stworzenie komputera kwantowego okazało się być bardzo trudnym zadaniem. Choć podstawy jego budowy opracowano ponad 30 lat temu, a prace nad zbudowaniem maszyny trwają od lat 90-tych ubiegłego wieku, to dopiero obecnie naukowcom udaje się zbudować urządzenia, które można wykorzystać do praktycznych celów. Niestety, aktualnie powstające komputery kwantowe w niczym nie przypominają małych skrzynek, które można postawić pod biurkiem lub wziąć na kolana. Na pełnowartościowe urządzenia przyjdzie poczekać nam jeszcze 10-15 lat.
Największym problemem w budowie kwantowego komputera jest nietrwałość stanu kwantowego. Jak opisano wcześniej, kubit ze stanu superpozycji przechodzi do stanu 0 lub 1 w momencie sprawdzenia wyniku. W praktyce odbywa się to przez zmierzenie parametrów cząstki, która pełni rolę kubitu. W trakcie obliczeń układ kwantowy musi być idealnie odizolowany od otoczenia, aby wpływ czynników zewnętrznych nie zakłócił stanu superpozycji, co zakończyłoby się uzyskaniem fałszywego wyniku. W warunkach laboratoryjnych jako pojedynczego kubitu używa się elektronu lub jonu atomu, a do zmiany jego stanu między 1 a 0 wykorzystywane są, np. pola magnetyczne lub wiązki światła.
Jedyny komercyjnie dostępny komputer kwantowy – D-Wave 2x – chłodzi układ kwantowy do temperatury bliskiej zera bezwzględnego (-273,15 stopni Celsjusza), przy zachowaniu ciśnienia 10 miliardów razy mniejszego niż ciśnienie atmosferyczne. Kwantowe cząstki są też ekranowane przed polem magnetycznym o sile 50 tys. mniejszej niż pole magnetyczne Ziemi. W tym komputerze działa 1000 kubitów, wykorzystywanych do obliczeń z zakresu minimalizowania strat energii, oceny ryzyka finansowego czy minimalizowania błędów funkcji rozpoznawania mowy. Urządzenie ma rozmiar sporej szafy – zupełnie jak archaiczne klasyczne komputery z lat 50-tych czy 60-tych.
Co nas czeka w przyszłości?
szafaW dającej się przewidzieć przyszłości komputery kwantowe nie zagoszczą w naszych domach. Nie oznacza to jednak, że nie będziemy korzystać z ich możliwości. Już teraz wiele usług i aplikacji działa w chmurze, a obliczenia potrzebne do działania programów wykonywane są zdalnie. Wiąże się to z koniecznością użycia ogromnej liczby procesorów, a to z dużymi kosztami ich zasilania oraz chłodzenia. Kwantowe komputery mogą wyeliminować te obciążenia.
W centrach obliczeniowych firm takich jak Google komputery kwantowe będą wspierać klasyczne rozwiązania, a potrzebujący specjalistycznej mocy obliczeniowej zyskają możliwość wynajęcia zdalnie działającej maszyny (jak w przypadku D-Wave 2x).
O wykorzystaniu potencjału komputerów kwantowych, a szczególnie ich możliwości w zakresie bezpiecznego przesyłania danych, myślą też rządy i korporacje. Zamknięte sieci kwantowe powstają już w USA i Chinach.