Menu Close

Informatyka kwantowa i kubity

Czym jest informatyka kwantowa?
Zwykłe komputery działają zgodnie ze ścisłymi zasadami logiki. Ale małe obiekty kwantowe, takie jak elektrony lub fotony światła, mogą łamać te zasady. Quantum Computing polega na

pomyśle, że możemy korzystać z kwantowych zasad łamiących reguły przetwarzania informacji w nowy sposób, który jest całkowicie inny od tego, w jaki pracują typowe komputery. To sprawia, że ​​w niektórych przypadkach, mogą być nawet wykładniczo szybsze aniżeli zwykłe komputery. Na przykład jeden komputer kwantowy mógłby z łatwością złamać kody, chroniące bankowość internetową.

Czy działa to tak  jak superkomputer?
Nie, nie tak. Komputer kwantowy to nie tylko “szybszy” komputer. Istnieje kilka konkretnych zadań – takich jak operacje na bardzo dużych liczbach – które w wykonaniu komputera kwantowego byłyby niesamowite. (Tu wchodzą w grę procedury deszyfrażu – patrz dalej), ale generalnie dla większości zadań, komputer kwantowy będzie tylko trochę lepszy niż zwykły komputer.

Do czego więc można używać komputerów kwantowych?
Prawdopodobnie będą one najbardziej użyteczne w rozwiązywaniu problemów, z którymi obecne komputery z trudnością sobie radzą typowych dla agencji rządowych, firm badawczo-rozwojowych i uczelni. Pierwszy praktyczny pomysł zaproponowany przez fizyka Richarda Feynman w 1981 roku, mówił o wykorzystaniu komputera kwantowego do symulacji mechaniki kwantowej, co wpłynęłoby na rozwój chemii i biologii. Chemicy, na przykład, mogliby dokładnie modelować interakcje z innymi lekami, a biolodzy badać wszystkie możliwe struktury białka i ich współdziałanie z sobą. Chociaż komputery kwantowe wzbudzały od dawna ciekawość środowisk akademickich to  zainteresowanie nimi eksplodowało w 1994 roku, kiedy amerykański matematyk Peter Shor znalazł sposób korzystania z nich do łamania kodów. Obecnie wiele systemów bezpieczeństwa online działa na takiej zasadzie, że jest prawie niemożliwym by przeanalizować bardzo dużą ilość liczb i znaleźć ich podstawowe czynniki. Wszystko co może zwykły komputer zrobić, to przeanalizować kolejno każdą możliwość – zadanie, które może trwać miliardy lat. Stosując algorytm operacyjny Shora, komputer kwantowy mógłby wykonać to zadanie w ciągu kilku godzin. Komputery kwantowe mogą być również fantastyczne w rozpoznawaniu wzorców w danych – przydatnych w przypadku uczenia maszynowego, takiego jak identyfikacja różnorodnych obiektów w obrazie. Mogą być świetne w budowaniu modeli przewidywania przyszłości, takich jak np. długoterminowe prognozowanie pogody. Ostatecznie jednak zastosowania informatyki kwantowej są nieprzewidywalne. W 1943 roku Thomas Watson, prezes IBM stwierdził: “Myślę, że na rynku światowym jest miejsce na popyt rzędu max. pięciu komputerów.” Obecnie istnieje ich co najmniej pięć w prawie każdym gospodarstwie domowym. Trudno więc na obecnym etapie rozwoju wyobrazić sobie, jakie będą zastosowania komputerów kwantowych.

Jak działa komputer kwantowy?
Zwykłe komputery są oparte na “bitach” – można wyobrazić je sobie jako małe przełączniki wskazujące albo 1 albo 0. Quantum Computing opiera się na bitach kwantowych, inaczej zwanych “kubitami”, które mogą również przyjmować pozycję 0 lub 1, ale do tego mogą pozostawać również w stanie mieszanym zwanym “superpozycją”, gdzie w tym samym czasie są 1 i 0. Ta dwuznaczność – umiejętność zarówno “bycia” i “nie bycia” (skąd my to znamy ?  „Jestem Za, a nawet Przeciw” 🙂 ) – jest kluczem do informatyki kwantowej.

W czym pomaga superpozycja?
Różnica między regularnymi komputerami i komputerami kwantowymi sprowadza się do sposobu podejścia do określonego problemu. Zwykły komputer próbuje rozwiązać problem w sposób który można porównać do próby ucieczki z labiryntu – próbuje wszelkich możliwych korytarzy, cofając się w ślepych zaułkach, by końcu znaleźć drogę wyjścia. Ale superpozycja pozwala komputerowi kwantowemu na  spróbowanie wszystkich ścieżek na raz – znajdując skrót. Dwa bity w komputerze mogą być w czterech możliwych stanach (00, 01, 10 lub 11), ale w określonym momencie czasowym tylko w jednym z nich. Ogranicza to komputer do przetwarzania jednego wejścia na raz (podobnie do próby jednego korytarza w labiryncie). W komputerze kwantowym dwa kubity mogą również reprezentować te same cztery stany (00, 01, 10 lub 11). Różnica polega na tym, ze względu na istnienie superpozycji to kubit może reprezentować wszystkie cztery stany w tym samym czasie. To trochę tak, jakby postawić cztery regularne komputery obok siebie. Jeśli dodamy więcej bitów do zwykłego komputera, to nadal może on być tylko w jednym z czterech stanów w danym momencie. Ale jeśli dodamy  kubitów, to moc komputera kwantowego rośnie wykładniczo. Matematycznie można w zasadzie powiedzieć, powiedzieć, że jeśli mamy “n” kubitów to jednocześnie reprezentują one stany 2n. To tak, jakby w legendzie o starożytnym indyjskim mędrcu zwanym  Sessa, który wymyślił grę w szachy. Król był tak zadowolony z gry, że poprosił Sessę, by powiedział co chce otrzymać w nagrodę. Sessa pokornie poprosił o ziarnko pszenicy z pierwszego kwadratu szachownicy, dwa z drugiego, cztery z trzeciego i tak dalej. Król zgodził się od razu, nie zdając sobie sprawy, iż obiecał dać więcej pszenicy niż istniało na Ziemi. To jest właśnie potęga wykładniczego wzrostu. Podobnie jak każdy kwadrat potęguje ziarna pszenicy Sessa, tak każdy dodatkowy kubit potęguje moc obliczeniową. Trzy kubity dają 23, czyli osiem stanów w tym samym czasie; cztery kubity dają 24, czyli 16. A 64 kubity? Te dają już 264, co stanowi 18 446 744 073 709 600 000 możliwości! To około milion terabajtów. Podczas gdy 64 regularne bity mogą również reprezentować tę ogromną liczbę stanów (264), to jednak tylko jeden z nich w jednostce czasu. Aby przejść wszystkie te kombinacje, przy założeniu jednej operacji w dwóch miliardowych sekundy (typowa szybkość nowoczesnych komputerów), to cały proces zajmie około 400 lat. Oznacza to, że komputery kwantowe mogłyby rozwiązać problemy, które są “praktycznie niemożliwe” do rozwiązania przez komputery klasyczne. Jednak, aby uzyskać wspomniane wykładnicze przyspieszenie, wszystkie kubity muszą być połączone ze sobą w procesie zwanym splątaniem kwantowym. To dziwne zjawisko, które Einstein nazwał “upiornym działaniem na odległość”, może połączyć cząstki kwantowe, nawet jeśli są na przeciwległych krańcach wszechświata.

Z czego składa się kubit?
By stworzyć kubit, potrzebny jest obiekt, który może osiągnąć stan superpozycji kwantowej między dwoma stanami. Jądro atomowe jest pewnym rodzajem kubitu. Kierunek jego momentu magnetycznego (“spin”) może wskazywać różne kierunki, powiedzmy w górę lub w dół, w stosunku do pola magnetycznego. Wyzwaniem dla naukowców jest umieszczenie i utrzymanie w pozycji “pomiędzy” pojedynczego atomu. Australijski zespół kierowany przez Michelle Simmons z University of New South Wales, stworzył atomowe kubity poprzez umieszczenie pojedynczego atomu fosforu w znanym położeniu wewnątrz kryształu krzemu. Innym pomysłem jest, pozbawienie atomu elektronów i przekształcenie go w jon. Następnie można użyć pola elektromagnetycznego  do zawieszenia go w wolnej przestrzeni i użyć lasera do zmiany stanu. Sprawi to, że w “pułapce jonowej” powstanie kwantowy komputer podobny do rozwijanego aktualnie na MIT. Prąd w pętli nadprzewodzącego metalu może być również w postaci superpozycji (między plusem a minusem), trochę podobnie jak ruch w małym kieracie do przodu i do tyłu w tym samym czasie.

Kanadyjska firma D-Wave oparła swój kwantowy komputer na tzw. kubitach strumieniowych. Jej klienci to Lockheed Martin, NASA i Google. Foton światła może być w superpozycji w kierunku w którym faluje. Niektóre grupy, takie jak University of Bristol w Wielkiej Brytanii, montują obwody kwantowe emitując fotony w labiryncie światłowodów i luster.

Jak stworzyć superpozycję?
Czy kiedykolwiek próbowałeś ustawić monetę dokładnie na krawędzi? Podobnie jest z programowaniem kubita. Polega to na zrobieniu z kubitem czegoś, co w wyniku da nam równowagę między stanami. W przypadku jądra atomowego, może to być przełączanie pola elektrycznego lub magnetycznego, pozostawiając równe prawdopodobieństwo spinu w jedną lub drugą stronę.

Jak można odczytać informacje z kubitów?
Istnieje coś nieokreślonego i mistycznego podczas obliczeń kwantowych. Im więcej wyjść kubitów opisują fizycy jako angażowanie się w sortowanie kwantowego seansu z równoległych światów, tym trudniej znaleźć odpowiedź. Ale to nie magia, tylko mechanika kwantowa. Powiedzmy, że masz swój nowy 64-qubitowy kwantowy komputer i uruchomiłeś go do pierwszych obliczeń. Umieść wszystkie 64 kubity w superpozycji, i podobnie jak 64 monety zrównoważ wszystkie na krawędzi. Wspólnie posiadają 264 możliwych stanów w trybie zawieszenia. Wiesz, że jeden z tych stanów stanowi właściwą odpowiedź. Ale który? Problemem jest, że czytając kubity powodujemy ich  upadek – to tak jak walić pięścią w stół na którym stoją wszystkie zrównoważone monety. Tu jest właśnie punkt gdzie algorytm kwantowy podobny opracowanemu przez Shora się przydaje. Ładuje on kubity, by sprawić bardziej prawdopodobnym że spadną na właściwą stronę i dadzą nam właściwą odpowiedź.

Nadal nie rozumiem. W jaki sposób kubity operują na liczbach? Gdzie jest reszta obliczeń?
Jedyną wiadomością którą warto zapamiętać jest to, że komputer kwantowy nie jest całkowicie “kwantowy” i ma jeszcze sporo elektroniki do najbardziej podstawowej pracy.

Czy jakieś komputery kwantowe zostały już zbudowane?
Prawdopodobnie nie. Prace są na etapie badań, ale naukowcy mają tendencję do zachwycania się złożeniem garstki kubitów. W czerwcu 2016 roku, na przykład, czasopismo Nature celebrowało dziewięciokubitowy komputer opracowany przez naukowców Google. Na czele peletonu jest jednak D-Wave, który twierdzi, że zbudował komputer kwantowy na dużą skalę z maksymalnie 1024 nadprzewodzącymi pętlami jako kubity. System wydaje się być wyjątkowo wydajny w problematyce optymalizacji problemów podobnych do planowania tras lotniczych  w celu maksymalizacji zysków przy ograniczonej flocie. Większość fizyków jednak wątpi, że D-Wave ma wbudowany prawdziwy komputer kwantowy, jednak – kto wie?

Co nas powstrzymuje? Dlaczego tak trudno zbudować komputer kwantowy?
Chociaż wiemy w teorii, jak komputer kwantowy mógłby wyglądać, to istnieją wyzwania na każdym poziomie pracy, od montażu kubitów do odczytu i zapisu informacji o nich, czy transmisji informacji tam i z powrotem bez obaw o jej znikniecie w obłoku niepewności. Kubit jest ty jedyną i ostateczną supergwiazdą. Choć gwiazdka Hollywood może żądać gigantycznej garderoby i wanny pełnej płatków róży, to kubit wymaga doskonałej izolacji i termostatu ustawionego na jedną setną stopnia powyżej zera absolutnego. Najmniejsze drganie z pobliskiego atomu może spowodować, że kubit straci swoją superpozycję. Ponadto trudnością nadrzędną jest utrzymanie delikatnego stanu superpozycji i splątania wystarczająco długo, aby uruchomić obliczenia – tak zwany czas koherencji. Prawda jest taka, że ​​nie wiemy, jak długo potrwa budowa tej „garderoby dla kwantowej supergwiazdy” o ile jest to w ogóle możliwe. Mimo to trudne wyzwanie, wyścig w budowie pierwszego praktycznego kwantowego komputera stał się jednym z wielkich wyzwań naukowych naszych czasów – z udziałem tysięcy fizyków i inżynierów z kilkudziesięciu instytutów badawczych rozsianych po całym świecie.

Cosmos Magazine

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *