Czym jest komputer kwantowy?

Pierwszy koncepcyjny model komputera kwantowego powstał już kilka dekad temu, nie jest to więc pomysł zupełnie nowy. Co jakiś czas do mediów trafiają jednak sensacyjne informacje na temat tego, że dzięki takim jednostkom udało się dokonać jakiegoś „znaczącego” postępu w konkretnej dziedzinie badań naukowych. Pierwszą tego typu maszynę zapowiedziano w Polsce (w Poznaniu).

Czym jednak tak na serio, są te „komputery kwantowe”, jaka jest różnica między nimi a „tradycyjnymi” komputerami, nikt już nie tłumaczy. A wiedzieć warto, gdyż jest to jedna tych gałęzi technologii, która ma największe szanse rozwoju w przyszłości i zdecydowanie będzie mieć wpływ na naszą przyszłość.

Komputery kwantowe – zasada działania

W tradycyjnych komputerach opartych o procesory wyposażone w tranzystory wszystko odbywa się na zasadzie mechanicznej analizy „krok po kroku”. Procesor przeciętnego domowego PC wyposażony jest w kilkanaście do nawet setek miliardów tranzystorów, których jedyną umiejętnością jest odróżnianie 0 od 1 (specyficzne różnice w napięciach), czyli informacji w postaci binarnej. To, co jako użytkownicy widzimy na ekranie monitora, to efekt pracochłonnego przeliczenia ogromnej liczby zer i jedynek, oraz późniejszego przekształcenia tych danych w zrozumiały dla przeciętnego człowieka obraz, lub chociażby analizę naukową w laboratorium.

Tymczasem komputer kwantowy działa na zupełnie inne zasadzie. Zamiast pracować na bitach (czyli stanie, w którym w jednej chwili występuje wyłącznie 0 albo 1), używa kubitów, czyli bitów kwantowych funkcjonujących w tzw. superpozycji, gdzie 0 i 1 mogą występować obok siebie, w tym samym czasie. Taki komputer działa w systemie bramek kwantowych, w których kubitami są cząstki elementarne, np. fotony.

Taki sposób działania, oparty o fizykę kwantową zupełnie zmienia sposób analizy – system nie musi rozpatrywać każdego problemu krok po kroku, może przeliczyć wiele zagadnień w jednym cyklu obliczeniowym, co w teorii może mu dać gigantyczną wręcz przewagę wydajnościową nad komputerami tradycyjnymi.

Oczywiście w praktyce nie jest to takie proste do osiągnięcia – komputery kwantowe wymagają odpowiedniego dla siebie programowania (algorytmy kwantowe). Poza tym nie jest też tak, że jeden cykl ich pracy dostarcza wszystkich odpowiedzi na zadane pytania. Takich obliczeń muszą być wykonywane całe serie, a dopiero średnia wyników zbliża nas do prawidłowego rozwiązania. Wszystko to sprawia, że na obecnym etapie rozwoju tej technologii, jest ona przydatna bardziej do demonstracji lub rozwiązywania bardzo wąskich, głęboko specjalistycznych zagadnień, choć nawet w tych „wycinkach” wiedzy, do których jest angażowana, zadziwia swoimi wielkimi możliwościami.

Inna jest też sama fizyczna budowa komputerów kwantowych, które obecne maszyny obliczeniowe przypominają bardziej z nazwy. Paradoksalnie współczesny komputer kwantowy bardziej przypomina mózgi elektronowe sprzed 50-60 lat – te najpotężniejsze wypełniają całe pomieszczenia, to co się też rzuca w oczy, to wszechobecne zwoje kabli.

Jak szybkie mogą być komputery kwantowe?

O jakiej skali przewagi nad klasycznymi komputerami tu mówimy? Przykładem niech będzie chiński komputer kwantowy Jiuzhang, który w 180 sekund wykonał obliczenia matematyczne, które klasycznemu superkomputerowi (z pierwszej 50 najszybszych na Ziemi a wówczas najmocniejszemu w Chinach) zajęłyby uwaga… 2,5 miliarda lat. Taka przewaga nad tradycyjnym komputerem nazywana jest supremacją kwantową i rzeczywiście może imponować. Szkopuł w tym, że oprogramowanie i konstrukcja chińskiej maszyny kwantowej pozwala, na razie, na zastosowanie jej wyłącznie do tego konkretnego obliczenia. Pokazuje to jednak potencjał, z jakim mamy tu do czynienia.

Innym polem, gdzie komputery kwantowe mogą szybko zyskać przewagę nad tradycyjnymi, będzie szyfrowanie informacji. Maszyny te będą w stanie tworzyć kody tak złożone, że z dzisiejszej perspektywy nie do złamania. Niestety z taką samą łatwością jak kodowanie nowych szyfrów, przyjdzie im złamanie starych, opartych o techniki z obecnej generacji komputerów, co nie jest już tak dobrą informacją. Zanim wszyscy przesiądą się na nowe szyfry, maszyny kwantowe będą z łatwością łamać stare. Na przykład szyfr RSA-2048, którego złamanie zwykłemu komputerowi zajęłoby wielokrotnie więcej czasu niż wiek naszego Układu Słonecznego, komputer kwantowy już za kilkanaście lat będzie w stanie złamać w zaledwie kilka godzin...

Czy komputery kwantowe mogą się obrócić przeciw człowiekowi?

Z jednej strony, komputery kwantowe to urządzenia, które wykorzystują zjawiska fizyki kwantowej do wykonywania obliczeń z ogromną szybkością i efektywnością. Teoretycznie, mogą one rozwiązywać problemy, które są zbyt trudne lub czasochłonne dla tradycyjnych komputerów. Komputery kwantowe mogą mieć wiele zastosowań w nauce, medycynie, optymalizacji, sztucznej inteligencji i innych dziedzinach. Z drugiej strony, urządzenia te mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa i prywatności danych. Specjaliści obawiają się, że maszyny te mogą być w stanie złamać klucze szyfrujące, które chronią informacje w sieci.

Największe ryzyko dotyczy kryptowalut i technologii blockchain, które opierają się na kryptografii. Jeśli komputery kwantowe będą w stanie złamać te zabezpieczenia, to może to doprowadzić do utraty zaufania i wartości tych systemów. Komputery kwantowe są więc zarówno obiecujące, jak i potencjalnie niebezpieczne. Ich rozwój wymaga odpowiedzialności i świadomości ze strony naukowców, biznesu i społeczeństwa.

Do czego użyjemy komputerów kwantowych w przyszłości?

Komputery kwantowe funkcjonują już dziś, dla podmiotów zewnętrznych w postaci usług chmurowych, a IBM pokazał nawet wzorcowy mechanizm (Q System One), który jest w stanie pracować poza odpowiednio przygotowanym, sterylnym laboratorium. Wartość całego rynku obliczeń tego typu to według firmy MarketsandMarkets wyniosła około 100 mld dolarów w 2019, a do 2024 wzrośnie do prawie 290 mld. Mamy tu więc do czynienia z dynamicznym wzrostem na całkiem już pokaźnym rynku. Nie ma się czemu dziwić, oferowana moc sprawi, że da się te urządzenia wykorzystać do rozwiązania wielu problemów, które można zapisać w języku matematyki i fizyki.

Współcześnie przewiduje się, że sprzęt kwantowy największą rolę odegra tam, gdzie moc tradycyjnych komputerów będzie zbyt słaba, by dokonać analizy w rozsądnym czasie. Będzie to przede wszystkim medycyna – symulacje medyczne, projektowanie nowych generacji leków. Wymiernie skróci to czas oczekiwania na kolejne generacje farmaceutyków, pozwoli też znaleźć skuteczne metody leczenia wielu dziś nieuleczalnych chorób.

Komputery kwantowe mogą się okazać przydatne także tam, gdzie konieczne jest planowanie na dużą skalę – w logistyce, projektowaniu ruchu na drogach, a nawet przy przepływach finansowych w instytucjach typu banki, czy firmy ubezpieczeniowe.

Coraz częściej mówi się też, że komputery kwantowe znacznie przyspieszą rozwój sztucznej inteligencji – nowe algorytmy będą efektywniejsze i sprawniejsze w przetwarzaniu informacji.

Tomasz Sławiński