Return to site

Komputery kwantowe dla początkujących

,czyli wszystko co musisz wiedzieć o superpozycji, splątaniu kwantowym i przyszłości supermaszyn

· Quantum Computing

Większość prób wyjaśnienia esencji komputerów kwantowych sprowadza się do przełożenia definicji matematyczno-fizycznych na przykłady, które nie mają zbyt wiele wspólnego z naszym światem.

Problem w tym, że fizyka kwantowa to nietypowa sfera nauki, gdzie wcześniejsze komplikacje stają się rozwiązaniami. Kiedy jedne drzwi się zamykają, otwierają się kolejne. Nie rozumiesz? To nic - Einstein też nie rozumiał.

Od początku lat 80. komputery coraz częściej funkcjonowały w naszym życiu, chociaż przypominały wtedy, mniej lub bardziej, współczesne blaszaki (w dosłownym tego słowa znaczeniu).

W porównaniu z dzisiejszymi smartfonami czy tabletami nie były to szczególnie wdzięczne maszyny. Niestety historia lubi się powtarzać, dlatego niebawem obecne nowinki technologiczne mogą się okazać tak samo przydatne jak słynna Nokia 3310.

Prawo Moorea

Droga do tak gwałtownego rozwoju technologicznego wynika z prawa Gordona Moore’a - jednego z założycieli firmy Intel. Według jego obserwacji branży elektronicznej, liczba tranzystorów (przewodników) w układzie elektronicznym zwiększa się średnio co 18 miesięcy (obecnie co 24).

Współczesne narzędzia elektroniczne, nasze smartfony, laptopy czy najpotężniejsze superkomputery działają na podobnej zasadzie - tylko w innej skali. Tradycyjne komputery korzystają z procesorów opartych na milionach krzemowych tranzystorów. Przez ponad 50 lat podążały za prawem Moore’a, aby ostatecznie zwolnić.

Zbliżamy się do nieuchronnej granicy technologicznej. Według prognoz już w roku 2021 osiągniemy moment, w którym prawo Moore’a przestanie działać.

Potencjalnym lekiem na zatrzymanie prawa Moore'a są komputery kwantowe. Podczas gdy dzieje fizyki kwantowej zaczynają się w początkach XX wieku, to marzenie o komputerach wykorzystujących prawa mechaniki kwantowej jest stosunkowo nowym pomysłem.

Podstawy działania komputera kwantowego są znane już od 1985 roku, dzięki pracy Davida Deutscha. Jest on jednym z ojców komputerów kwantowych, który zainicjował plan przyszłej supermaszyny oraz algorytm kwantowy.

Kilka lat wcześniej, w 1980 roku, Paul Benioff wysunął przypuszczenie, że można zbudować urządzenia w oparciu o zasady fizyki kwantowej. Punktem zwrotnym było odkrycie związane z niemożliwości przeniesienia systemu kwantowego na system klasyczny.

Ta teoria wspomogła pracę noblisty, Richarda Feynmana. Wygłosił on na MIT wykład na temat pierwszego planu modelu komputera kwantowego, który mógł symulować procesy kwantowe.

Richard Feynman

Czym jest komputer kwantowy?

Komputery kwantowe są nową kategorią maszyn zbudowanych z myślą o ulepszeniu zdolności przetwarzania danych dzisiejszych najlepszych superkomputerów.

W klasycznym rozumieniu komputery są podobne do włącznika światła. Posiada on tylko dwa stany: włączony i wyłączony, dlatego bit występuje w dwóch postaciach: 0 i 1. Wartość jest lub jej nie ma.

Natomiast komputery kwantowe używają kubitów (od “kwantowy bit”), które mogą istnieć naraz w wielu stanach. Współpracują ze sobą - dzięki temu mogą umożliwić wykonywanie zadań, które są trudne lub niemożliwe do wykonania dla standardowych komputerów. Obecnie zmagają się z różnymi czynnikami zewnętrznymi - zarówno ze otaczającego je środowiska, jak i kubitów - destabilizują je i utrudniają przeprowadzenie obliczeń bez błędów. Tylko jak to właściwie działa?

1. Superpozycja

Kubity różnią się od bitów własnością superpozycji (od ang. superposition). Mogą mieć wartość 0, 1 lub być “wymieszane” - trochę 0 i trochę 1. Są jak słynny kot Schrödingera, który jest, a jednocześnie go nie ma. Jako obiekt kwantowy znajdują się równocześnie w każdym z możliwych stanów.

Pomyślmy o tym w ten sposób: mamy tysiąc pytań do ankiety i tylko jedną osobę, by zebrać odpowiedzi. Bez pomocy musimy czekać po kolei na każdą odpowiedź . Tak działają zwykłe komputery.

A co gdybyśmy mieli tysiąc ankieterów, którzy mogą odpowiedzieć na wszystkie pytania? Oczywiście, otrzymalibyśmy wszystkie odpowiedzi tysiąc razy szybciej.

Teraz wyobraźmy sobie, że dopóki nie spojrzę na moją grupę, wszyscy odpowiadają na to samo pytanie w każdy możliwy sposób. Otrzymamy dokładnie jeden wynik od każdego z nich dopiero wtedy, kiedy zaczniemy ich podglądać.

Sprawa komplikuje się w momencie, gdy uświadomimy sobie, że to nie koniec właściwości cząsteczek. Postępowanie ankieterów jest podobne do zachowania elektronu, który jest najmniejszą cząsteczką materii. Jest wszystkimi wartościami do momentu, kiedy zaczniemy go obserwować.

2. Splątanie kwantowe

Teraz, kiedy już znamy pojęcie superpozycji, możemy wyjaśnić pojęcie splątania kwantowego (od ang. quantum entanglement). Fenomen tego zjawiska polega na tym, że dwie całkowicie odrębne cząsteczki, niezależnie od odległości - współdzielą swoje wartości.

Załóżmy, że mamy dwie kolorowe piłki: czerwoną i niebieską. Umieśćmy je losowo w dwóch pudełkach. Gdy je pojedynczo otworzymy, to stwierdzimy kolor jednej piłki i wtedy kolor drugiej z nich będzie nam już znany.

Innymi słowy, jest to podstawa do teleportacji kwantowej. Teoretycznej, bo w praktyce wszystko dzieje się na poziomie atomów. Nie możemy przenieść żadnej osoby czy informacji - co najwyżej poznać wartość drugiej cząsteczki.

3. Wyżarzanie kwantowe

Jednym ze sposobów wykorzystania powyższych zjawisk jest wyżarzanie kwantowe (od ang. quantum annealing), proces stosowany między innymi przez komputery firmy D-Wave

Wyżarzanie kwantowe najlepiej sprawdza się w problemach mających więcej niż jedno rozwiązanie. Z problemami optymalizacyjnymi borykają się między innymi firmy w branży logistycznej, gdzie liczy się przede wszystkim wydajność.

Przy podróży samochodem z Warszawy do Paryża mamy do wyboru wiele dróg. Posługując się mapą, staramy się znaleźć najkrótszą trasę. Jednak na faktyczny czas trwania jazdy ma wpływ wiele czynników (stan dróg, ilość korków, uwarunkowania geograficzne).

Podczas wyżarzania kwantowego komputer ocenia wszystkie możliwe rozwiązania i wybiera z tego te, które dają najlepszy wynik - w naszym przypadku, najkrótszą drogę

Pionierzy kwantów

D-Wave 2000Q

Podstawowe komputery kwantowe istnieją w wielu laboratoriach na całym świecie. Giganci technologiczni tacy jak Google, IBM, czy Microsoft samodzielnie rozwijają technologię, podczas gdy rządy Stanów Zjednoczonych, Unii Europejskiej oraz Chin inwestują w ośrodki badawcze.

Komputery kwantowe dzielą się na kilka kategorii z czego dwie główne to:

  1. Uniwersalny model

  2. Procesory korzystające z wyżarzania kwantowego

Pomimo sprawnego marketingu D-Wave 2000Q nie jest konkurencją dla uniwersalnych komputerów kwantowych. Zarówno największą zaletą, jak i największą wadą tych maszyn jest wyżarzanie kwantowym. Mimo że korzystają z tej samej techniki rozwiązywania problemów, stawia się przed nimi inne zadania. Nie są w stanie używać popularnych algorytmów dekrypcyjnych, które mogą zaburzyć działanie współczesnej kryptografii,

O dziwo obecnie „prawdziwy” komputer kwantowy jest mniej wydajny od typowego laptopa. Jest to kwestia niewystarczającej mocy obliczeniowej. Dotychczas wyprodukowane prototypy „prawdziwych” komputerów kwantowych są bardzo proste i używają niewielkiej ilości kubitów – zbyt małej, by rozwiązać jakiekolwiek praktyczne problemy.

Największe korporacje są zdeterminowane, żeby zademonstrować światu potęgę kwantów. Pierwsza firma, która tego dokona, znajdzie się w samym sercu rewolucji kwantowej. Mimo to najbliżej przełomu są nie globalne marki, a start-up z Berkeley.

“Quantum supremacy” - moment, kiedy komputery kwantowe będą w stanie rozwiązać problemy niedostępne dla tradycyjnych komputerów

Pomimo ogromnej dysproporcji budżetowej Rigetti stawia czoło Google, IBM i Intelowi w wyścigu zbrojeń. Są powody, by sądzić, że startup dotrze do mety, a nawet wyprzedzi pozostałych.

Chad Rigetti, założyciel Rigetti Computing, zamierza zmienić model biznesowy rynku komputerów kwantowych. Jednymi z problemów współczesnych komputerów kwantowych są kryteria przestrzeni, wysokiego poboru energii oraz izolacji. Nie każde miejsce pracy może sobie pozwolić na posiadanie przytulnego kącika dla własnej kwantowej supermaszyny. Rozwiązaniem jest siła chmury.

Platforma Forest działająca na 19-kubitowym systemie jest najpotężniejszym obecnie dostępnym środowiskiem kwantowym. Dzięki temu wcześniej używane superkomputery są w zasięgu właściwie każdego. Społeczność powstająca wokół tej platformy może przyczynić się do rozwoju aplikacji kwantowych.

Jak wygląda komputer kwantowy?

Chociaż skojarzenie ze zwykłym komputerem jest już ustabilizowane, koncepcja komputera kwantowego pozostaje niewyjaśniona – głównie z jednego powodu. Maszyna w niczym nie przypomina typowego komputera. Bliżej jej do steampunkowego żyrandola niż do wysublimowanego narzędzia pracy wartego miliony dolarów.

Jak wiemy, procesor komputera jest zbudowany z tranzystorów o wielkości nanometrów. Podobnie ma się z komputerami kwantowymi, tylko tam wchodzą w grę kwantowe przewodniki. Wewnątrz procesora znajdują się kubity. Należy je dobrze wyizolować z otoczenia, żeby zminimalizować ryzyko błędów podczas obliczeń.

Wyzwania

Podczas ustawiania domina wystarczy jeden nieodpowiedni ruch, aby zniwelować cały wysiłek. Tak samo dzieje się z kubitami, tylko w miniaturowym świecie atomów. Przyczyną jest dekoherencja.

W skali naszego świata cechą materii jest podatność na wpływy otoczenia. Żeby w pełni korzystać z właściwości fizyki kwantowej, należy zapewnić kubitom odpowiednie warunki temperaturowe i izolację od bodźców dźwiękowych. Wzrost temperatury odpowiada, mniej lub bardziej trafnie - utracie kontroli.

Przy podwyższonej temperaturze kubity wibrują. Utrzymując zimno w obrębie komputera, wprowadzamy mniej energii do systemu, a tym samym minimalizujemy prawdopodobieństwo, że kubity będą niepoprawnie przeskakiwać pomiędzy stanami kwantowymi. Innymi słowy: im więcej czynników zewnętrznych, tym większa szansa, że zerwą splątanie kwantowe.

Podsumowując:

  1. Komputer kwantowy ma na celu ulepszenie możliwości przetwarzania danych dzisiejszych maszyn. Nie jest zamiennikiem.

  2. Komputer kwantowy przetwarza informacje za pomocą kwantowych bitów. Kubity mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie.

  3. Kubity są ze sobą splątane.

  4. Twórcy współczesnych komputerów kwantowych zmagają się z problemem dekoherencji.

Kwantowa saga

Najprościej mówiąc, komputery kwantowe są przydatne w znajdowaniu odpowiedzi na pytania, które są łatwe do weryfikacji, a trudne do skonstruowania. Ich siła polega na natychmiastowej kalkulacji. Przeznaczeniem tych maszyn jest przeprowadzanie skomplikowanych obliczeń matematycznych, symulacji i przetwarzanie danych.

Im bliżej zrozumienia świata kwantów jesteśmy, tym bardziej zbliżamy się do osiągnięć, które mogą przenieść naszą cywilizację w nową erę. Wielkie korporacje technologiczne pokroju Google, IBM, Intel i Microsoft pompują ogromne pieniądze w badania raczkującej branży. Jej potencjał dostrzegają zarówno firmy, jak i państwa. Wyścig o dominację kwantową nadal trwa.

W ciągu następnych lat wszystko może się zmienić.

To kwestia odpowiedzenia na pytanie nie “czy”, ale “kiedy” naukowcy otrzymają odpowiednie narzędzia.

W następnej części dowiesz się:

  • Jakie są zastosowania komputerów kwantowych?

  • Dlaczego Chiny inwestują w komputery kwantowe?

  • Jaka może być rola Polski w tej branży?

  • Jaka jest przyszłość kryptografii?

  • Dlaczego przyszłość sztucznej inteligencji zależy od komputerów kwantowych?

Hoang Doan, Bohr Technology Inc.

All Posts
×

Almost done…

We just sent you an email. Please click the link in the email to confirm your subscription!

OKSubscriptions powered by Strikingly