Dlaczego mimo tego, że o komputerach kwantowych mówi się od lat 80-tych, to dopiero w ostatnich kilku latach zaczęły one budzić duże emocje? Specjaliści twierdzą wręcz, że jesteśmy coraz bliżej przekroczenia granicy, jeśli chodzi o szybkość procesów obliczeniowych.
Współczesne procesory składają się z miliardów tranzystorów wielkości kilku nanometrów zgrupowanych na bardzo małej powierzchni. Według prawa Moore’a, liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się co mniej więcej dwa lata. Niestety, wzrost mocy obliczeniowych w procesorach ulega ciągłemu spowolnieniu. Powoli osiągamy bowiem granice technologiczne w możliwościach “upakowania” coraz większej liczby tranzystorów na tak małych powierzchniach. Granica, której fizycznie przekroczyć się nie da to tranzystor o rozmiarze pojedynczego atomu oraz pojedynczy elektron służący do przełączania jego stanu od 0 do 1.
Skąd biorą się wielkie zalety komputera kwantowego? Najprościej można to wytłumaczyć przez porównanie go do komputera tradycyjnego. Urządzenie, które znamy z codziennej pracy, dokonuje wszystkich operacji, wykorzystując podstawowe jednostki informatyczne, jakimi są bity. A te mogą reprezentować w zasadzie tylko dwa stany: 0 i 1. W przypadku komputera kwantowego mówimy o wykorzystaniu stanu pośredniego, czyli wyjściu poza schemat dwóch przeciwnych wartości. Kubit (od bitów kwantowych) – bo tak się nazywa jednostka urządzeń kwantowych – może przyjmować jednocześnie wartość 0 i 1, a dokładnie może przyjmować nieskończoną liczbę stanów między 0 a 1. Taki stan nazywa się superpozycją. Dopiero podczas sprawdzenia wartości kubita, przyjmuje on jeden z dwóch stanów podstawowych – 0 lub 1. Wydaje się, że to mała różnica, jednakże kubit znajdujący się w stanie superpozycji może podczas obliczeń wykonywać wiele poleceń jednocześnie. Pomagają nam tu podstawowe zasady fizyki kwantowej. Fizycznie kubit może być reprezentowany przez dowolny układ kwantowy o dwóch różnych stanach podstawowych, na przykład spinu elektronu lub atomu, dwóch poziomów energetycznych w atomie czy dwóch poziomów polaryzacji fotonu – pionową i poziomą. O ile w klasycznym komputerze bit przechowuje dwie wartości, dwa bity przechowują cztery wartości itd., dwa kubity przechowują nie jedną, a cztery wartości jednocześnie. Bezpośrednią konsekwencją tego faktu jest to, że komputer kwantowy potrafi dokonywać jednocześnie wielu operacji na raz, czego nie potrafi urządzenie tradycyjne. By jeszcze bardziej uściślić: kwantowy stan, o którym mowa, doprowadza nas do sytuacji, w której maszyna przetwarza potężne zbiory danych w niewyobrażalnie krótkim czasie. Wyobraźmy sobie tak pokaźne zbiory, że ich przetworzenie wymagałoby milionów lat, gdybyśmy wykorzystali do tego celu komputery tradycyjne. Ta całkowicie abstrakcyjna sytuacja nabiera realności, gdy zaczynamy mówić o użyciu komputera kwantowego. Potrafi on liczyć nawet o setki tysięcy – a w założeniu miliony – razy szybciej od urządzeń zbudowanych w oparciu o zaawansowane podzespoły krzemowe! Idealne zastosowanie dla takiej maszyny to rozpoznawanie obiektów z ogromnego zasobu zdjęć, obliczenia na dużych liczbach, czy szyfrowanie i łamanie szyfrów. Operując na danych matematycznych, tę różnicę w wydajności między kwantowym a tradycyjnym komputerem możemy teoretycznie zwiększyć nawet do poziomu 1:18 000 000 000 000 000 000 razy!
Niestety, kubity muszą być całkowicie odizolowane od otoczenia, są bowiem bardzo nietrwałe i mogą być niszczone między innymi przez zmiany temperatury otoczenia, promieniowanie zewnętrzne, światło czy zderzenia z cząsteczkami powietrza. Dlatego próżnia, superniska temperatura i pełna izolacja środowiska są konieczne.
Aby przybliżyć, z jak ciekawym, a jednocześnie kontrowersyjnym, zjawiskiem mamy do czynienia, przytoczę przykłady skrajnych reakcji przedstawicieli branży IT. Nie tak dawno jeden z przedstawicieli Google stwierdził, że kwantowy komputer D-Wave rozwiązał zadany mu problem w czasie 1 sekundy. Standardowy potrzebowałby na to podobno 10 000 lat! Z drugiej strony nierzadkie są opinie jak ta, którą wyraził fizyk Matthias Toyer. Gdy trzy lata temu ogłoszono, że komputer The D-Wave2 w specjalnym teście rozwiązał wyznaczone mu zadanie o 3600 razy szybciej, niż komputer tradycyjny, naukowiec zakwestionował te wyniki wykazując, że trudno mówić o takiej wydajności, bo żadne dowody jej nie potwierdzają. Najlepszym podsumowaniem zamieszania na tym polu mogą być słowa pracownika Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w USA, Davida Winelanda, który powiedział: „Jestem optymistą, co do tego, że w dłuższej perspektywie osiągniemy sukces. Jednak ten “dłuższy czas” oznacza, że nie wiem, kiedy to nastąpi”.
Do działania komputera kwantowego potrzeba systemu do sterowania, odpowiednika system operacyjnego, algorytmów pozwalających przeprowadzić kwantowe obliczenia i oprogramowania do obliczeń. Tworzenie algorytmów kwantowych jest bardzo trudne, bo muszą one być opracowywane w oparciu o zasady mechaniki kwantowej. Oznacza to, że uruchamiając ten sam algorytm na komputerze kwantowym dwukrotnie, można otrzymać zupełnie różne wyniki ze względu na losowość samego procesu. Z tego wynika, że – upraszczając – dla uzyskania wiarygodnych wyników obliczenia należy uwzględniać zasady prawdopodobieństwa.
Brzmi to jak bardzo skomplikowany proces. I, niestety, tak jest. Komputery kwantowe nadają się do bardzo wyspecjalizowanych, określonych obliczeń – algorytmów, które pozwolą zaprzęgnąć całą ukrytą w nich moc. Czyli komputery kwantowe nie pojawią się na każdym biurku i w każdym domu. Nie miałoby to najmniejszego sensu. Jednak bez względu na to, ile czasu potrzebujemy na uzyskanie danego wyniku pracy algorytmu, możemy już dzisiaj wyobrazić sobie sytuację, w której do rozwiązania konkretnego problemu angażujemy maszynę kwantową. Przykładowo, gdybyśmy założyli, że chcemy przetworzyć miliardy zmagazynowanych danych medycznych, które związane są z poszukiwaniem leku na raka, to właśnie komputer kwantowy, przy zastosowaniu odpowiednich algorytmów, mógłby zbliżyć nas do stworzenia skutecznej receptury. Bo możliwość interpretacji tych wszystkich danych, bez popełnienia błędu, czy bez przeoczenia istotnych informacji, jest praktycznie niemożliwa dla ludzkiego mózgu czy tradycyjnego komputera.
Technologie kwantowe mogą wpłynąć też mocno na takie obszary ludzkiej aktywności, jak: astronomia, matematyka czy fizyka. Komputery kwantowe mogą błyskawicznie przeszukiwać olbrzymie ilości danych – być może to jest główny powód, dlaczego służby specjalne i Google tak inwestują w tą technologię. Komputery kwantowe mogą być idealnymi narzędziami do łamania szyfrów. Metodę RSA, chroniącą połączenia przeglądarek internetowych i połączenia w aplikacjach bankowości mobilnej i internetowej można by błyskawicznie złamać za ich pomocą. Ponoć jest to też pierwsza technologia, która zagrozi algorytmom kryptograficznym blockchain.
Jak widać technologia ma nie tylko blaski, ale i cienie. Czy możliwe będzie dalsze działanie zabezpieczeń szyfrujących, funkcjonujących do tej pory w naszym świecie? Czy będziemy w stanie zabezpieczyć się przed niebezpieczeństwem łamania najważniejszych dla nas szyfrów i kodów, których do tej pory pokonać się nie dało? Jak będzie wyglądał świat, w którym każda informacja będzie dostępna w mgnieniu oka? W mgnieniu oka, ale oczywiście nie dla wszystkich, tylko tych, którzy będą wyposażeni w komputery kwantowe.
Blog: https://norbertbiedrzycki.pl
Powiązane artykuły:
– Upadek hierarchii, czyli kto właściwie rządzi w Twojej firmie
– Koniec życia jakie znamy, czyli witajcie w zdygitalizowanym świecie
– Twoi klienci przybywają z przyszłości, a ty gdzie jesteś?
– Blockchain ma potencjał do wzruszenia podstawowych filarów naszego społeczeństwa