Komputer kwantowy pozwoli wykonywać bardzo złożone obliczenia. Do czego nam się przyda?

W tym artykule:

1. Jak działa komputer kwantowy?
2. Co to jest supremacja kwantowa?
3. Zastosowania komputerów kwantowych

Nasza cywilizacja funkcjonuje dziś w dużym stopniu dzięki komputerom i danym, które one przetwarzają. Jednak gdy potrzebna jest wielka moc obliczeniowa, stosowana dotychczas technologia krzemowa przestaje się sprawdzać. Dlatego IBM, Google, Microsoft, Alibaba i kilka innych firm pracuje dziś nad prototypowymi wynalazkami. Chodzi o komputer kwantowy.

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

Jak działa komputer kwantowy?

Komputery kwantowe wykonują obliczenia nie na bitach, które mogą przyjąć wartości 0 albo 1, lecz na tzw. kubitach. Mogą one przyjmować różne wartości jednocześnie. Uczeni wykorzystują zjawiska rządzące światem cząstek elementarnych do tworzenia maszyn obliczeniowych.

Kwantowy komputer obliczy wszystkie możliwe warianty przyszłości

Grupa naukowców, których badania opublikowało Nature Communications, opisała w jaki sposób spiąć możliwości kwantowych systemów ze sztucznymi inteligencjami. Dzięki temu będą mogły uc...

Superpozycja

Zwykłe komputery wykonują obliczenia na seriach bitów – „zer” i „jedynek”. Komputery kwantowe wykorzystują kwantowe bity, czyli kubity, które mogą przybierać obie te wartości jednocześnie – to tzw. superpozycja. Dzięki temu moc obliczeniowa rośnie w ogromnym tempie. Kwantowe komputery mogą za jednym zamachem wykonać działania, które klasycznym maszynom zajęłyby mnóstwo czasu. 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.

Splątanie

W świecie fizyki kwantowej następuje przedziwna i nie do końca zrozumiała relacja między cząstkami elementarnymi takimi jak elektrony. Gdy uda nam się je do siebie „upodobnić” (np. zbliżając je do siebie), ich losy zostają ze sobą ściśle powiązane. Gdy potem zmienimy właściwości jednej, druga zareaguje taką samą zmianą – nawet, jeśli będzie daleko. W przypadku komputerów oznacza to, że możemy przeprowadzać obliczenia równolegle na wielu różnych „frontach” – a to bardzo przyśpiesza wykonywanie zadania.

Dekoherencja

Nie wystarczy tylko zmusić atomy do wykonywania obliczeń – trzeba jeszcze umieć odczytać wyniki. A z tym jest problem, ponieważ w świecie kwantowym tak już jest, że każda obserwacja zmienia stan obserwowanej materii. Dochodzi wówczas do tzw. dekoherencji. Innymi słowy, odczytując wyniki obliczeń zarazem je kasujemy – to trochę tak, jakby nasz pecet uruchamiał się ponownie za każdym razem, gdy rzucimy okiem na ekran.

Co to jest supremacja kwantowa?

23 października 2019 roku Google ogłosił, że osiągnął tzw. supremację kwantową. Pod tą nazwą kryje się udowodnienie, że maszyny kwantowe naprawdę wykonują obliczenia szybciej niż klasyczne. Komputer Google, dysponujący 53 kwantowymi bitami, czyli kubitami, wykonał pewne skomplikowane działania w zaledwie 200 sekund. Zdaniem jego konstruktorów te same obliczenia tradycyjnemu komputerowi zajęłyby 10 tys. lat.

Zastosowania komputerów kwantowych

Kubity działają tylko w specyficznych warunkach. Najczęściej potrzebują wysokiej próżni i bardzo niskich temperatur. Są też podatne na zakłócenia. Dlatego maszyny kwantowe zajmują dużo miejsca i wyglądają bardziej jak aparatura chemiczna niż komputer. W efekcie jest ich mało i są bardzo drogie. Jednak w przyszłości ma się to zmienić.

Logistyka

Jak znaleźć najkrótszą drogę łączącą 25 miast? To zadanie, z którym musi się zmagać codziennie szef każdej dużej firmy kurierskiej. W matematyce zwane jest problemem komiwojażera. Superkomputery sobie z tym nie radzą. Jest to natomiast dość proste zadanie dla komputerów kwantowych. Ustalając najlepsze trasy dojazdu pomogą nie tylko firmom kurierskim czy flotom ciężarówek dostawczych. Skorzystają też na tym też zwykli kierowcy używający samochodowej nawigacji. Kwantowe obliczenia mają wspierać w przyszłości samochody autonomiczne i usprawniać kursowanie autobusów w miastach.

Chemia

Chemia opisuje reakcje zachodzące między poszczególnymi atomami i cząsteczkami. To skala, w której działają prawa fizyki kwantowej. Nawet w stosunkowo nieskomplikowanych procesach chemicznych biorą udział miliardy takich elementów jednocześnie. Symulowanie ich za pomocą komputerów dało początek nowej dziedzinie, zwanej chemoinformatyką. Jednak takie obliczenia na klasycznych komputerach są niezwykle skomplikowane.

Naukowcy twierdzą np., że komputer dysponujący 100 kubitami pozwoli już na modelowanie reakcji chemicznych, takich jak tzw. metoda Habera i Boscha. Służy ona m.in. do produkcji nawozów sztucznych, bez których nie może się obejść współczesne rolnictwo. Ogromnej mocy obliczeniowej wymaga modelowanie cząsteczek nowych leków, których działanie można sprawdzać za pomocą symulacji komputerowych, ograniczając eksperymenty na zwierzętach. Podobnych narzędzi potrzebują naukowcy opracowujący nowe nadprzewodniki

Fizyka

Fizycy potrzebują komputerów kwantowych do modelowania skomplikowanych, chaotycznych zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Przykładem może być projektowanie reaktorów termojądrowych, mających dostarczać ogromnych ilości energii. Wymaga to podgrzewania atomów do ogromnych temperatur i ściskania ich z użyciem pola magnetycznego. Modelowaniem tego procesu zajmują się dziś potężne komputery, ale nadal bez powodzenia. Możliwe, że zadaniu temu sprostają dopiero maszyny kwantowe.

Modelowanie

Komputery kwantowe pomogą w tworzeniu skomplikowanych symulacji. Przykładem może być komputerowy model ludzkiego mózgu. Czyli 86 mld neuronów i bilionów łączących je synaps. Dzięki takiej symulacji będzie można poznać mechanizmy leżące u podstaw takich schorzeń, jak depresja, choroby Alzheimera czy Parkinsona. Na wirtualnym mózgu będzie też można przeprowadzać testy nowych leków.

Według fizyków kosmici mogą używać czarnych dziur jako komputerów kwantowych

Dlaczego ciągle nie odkryliśmy pozaziemskich cywilizacji? Być może nie szukamy tego, co trzeba. Dwóch naukowców uważa, że zaawansowani kosmici mogą używać czarnych dziur jako kwantowych ...

Inny projekt to Living Earth Simulator. Miałby on pomieścić wszelkie dostępne dane o naszej planecie – od pogody po nastroje społeczne. System ma na bieżąco je analizować, by usiłować zrozumieć wzorce rządzące zachowaniami ludzi. W ten sposób można by przewidywać np. kryzysy finansowe lub skutki wprowadzanych reform społecznych.

Sztuczna inteligencja

Algorytmy sztucznej inteligencji uczą się np. rozumienia ludzkiej mowy, analizując ogromne zbiory danych i poprawiając swe błędy. Taki trening zajmuje im nierzadko wiele tygodni i to nawet wtedy, gdy mają do dyspozycji bardzo szybkie komputery. Kwantowe obliczenia mogą radykalnie skrócić ten czas. Będą też sprawdzały się przy szybkim wyszukiwaniu danych.

Szyfrowanie

Komputery kwantowe dobrze nadają się do wykonywania obliczeń, które są obiektem zainteresowania tajnych służb i hakerów. Chodzi o podsłuchiwanie szyfrowanej transmisji danych, dzięki której zabezpieczane są dziś np. operacje bankowe. Najlepszym dostępnym dziś superkomputerom złamanie takiego szyfru zajęłoby dziesiątki lat. Maszyna wykorzystująca zjawiska kwantowe mogłaby się z tym uporać w kilka sekund.

Uczeni pracują też nad tzw. szyfrowaniem kwantowym. Wykorzystuje ono zjawiska zachodzące na poziomie fotonów i cząstek elementarnych w telekomunikacji. Transmisji zabezpieczonej w ten sposób nie można podsłuchać – każda ingerencja w przesyłane dane niszczy je. Możliwe więc, że internet przyszłości będzie działał m.in. dzięki technologiom kwantowym.

Źródło: archiwum NG.