Wszystko wskazuje na to, że wczesne etapy wprowadzania technologii kwantowej na rynek będą koncentrować się na jej kompatybilności z tradycyjną informatyką. W perspektywie krótkoterminowej, aby ułatwić to przejście, oczekuje się „oprogramowania pośredniego” lub „systemów pośrednich”. W przypadku tego typu architektury tradycyjne komputery nie muszą uczyć się, „co za nimi stoi” ani kto jest odpowiedzialny za przetwarzanie. Co nam przyniesie dalsza przyszłość?
Zacznijmy od początku. Według eksperymentu myślowego Schrödingera (1935), nazywanego również paradoksem, żywy kot, butelka trucizny i źródło radioaktywne w postaci jednego nietrwałego atomu są umieszczane w szczelnie zamkniętym pudełku. Jeśli monitor promieniowania wykryje radioaktywność, kolba zostaje rozbita, uwalniając truciznę, która zabija kota. Po upływie czasu połowicznego rozpadu atomu prawdopodobieństwo, że kot jest żywy i martwy wynosi dokładnie pół na pół. Można więc stwierdzić, że zwierzę jest jednocześnie żywe i martwe. Jednak zaglądając do pudełka, widzimy kota żywego lub martwego, a nie żywego i martwego równocześnie. Oznacza to, że wchodząc w interakcje ze środowiskiem, modyfikujemy prawa kwantowe.
Ciężko uwierzyć, ale ten paradoks położył kamień węgielny pod rozwój przetwarzania kwantowego, które znamy obecnie. Magia obliczeń kwantowych polega na tych koncepcjach mechaniki kwantowej, które można zastosować w celu uzyskania wyższej wydajności przetwarzania. Dwie kluczowe koncepcje to: superpozycja stanów i splątanie kwantowe.
Aby trochę lepiej zrozumieć te pojęcia, musimy zastanowić się, jak działa tradycyjny komputer: bit to najmniejsza jednostka miary, która zawiera pojedynczą wartość binarną 1 lub 0, na której możemy wykonać różne operacje logiczne – tj. NOT, OR, XOR itp. Jest to zależność liniowa (n = n), ponieważ liczba możliwych stanów nie zmienia się w korelacji z liczbą reprezentowanych bitów.
W przeciwieństwie do tego kubit (ang. qubit) nie tylko przyjmuje wartości 1 lub 0 jak normalny bit, ale może również przyjmować 1 ORAZ 0 (np. 70% = 1 i 30% = 0) Problem pojawia się, gdy chcesz „odczytać” jego wartość, ponieważ możesz uzyskać tylko 1 lub 0 (jak we wspomnianym paradoksie Schrödingera). Dzięki superpozycji możliwe stany reprezentacji rosną wykładniczo wraz ze wzrostem liczby kubitów. Podobnie, w przypadku splątania możliwe jest utrzymanie stałych relacji kubitów, a operacje w jednym z nich wymuszają wpływ na pozostałe.
Obliczenia kwantowe obecnie
Obecnie wiele firm inwestuje część swojego budżetu w rozwój tego rodzaju technologii, starając się ją sukcesywnie ulepszać, czyli zwiększać liczbę kubitów w opracowywanych przez siebie procesorach kwantowych. Do tej pory procesory kwantowe zawierające do 60 kubitów wykonywały zadania w mniej niż 3 minuty. Z drugiej strony najpotężniejszy superkomputer, jaki jest dziś dostępny, potrzebowałby 10 000 lat na wykonanie tych zadań. Oczekuje się jednak, że do 2023 r. zostaną opracowane procesory zawierające ponad 1000 kubitów, co już w fazie koncepcji robi ogromne wrażenie.
Rozwój technologii kwantowej jest przez wielu określany jako Druga Rewolucja Kwantowa; Pierwsza Rewolucja Kwantowa była tą, która dawno temu stała się kamieniem milowym mechaniki kwantowej, poprzez serię dogłębnych, ale niekoniecznie dokładnych, badań.
Inną ważną kwestią jest kwestia Cloud Quantum Computing, gdzie każdy, skądkolwiek, może wysyłać zadania, które mają zostać wykonane w procesorze kwantowym i natychmiast uzyskać wynik, mamy więc do czynienia z połączeniem różnych koncepcji: przetwarzania w chmurze oraz przesyłania i konwertowania informacji z tradycyjnych systemów do systemy kwantowe i na odwrót.
Niektóre obszary zaangażowane w rozwój quantum computing
SZTUCZNA INTELIGENCJA. W drugiej połowie XX wieku powstały modele teoretyczne AI, które w pewnym momencie “utknęły” z powodu braku dostępnej technologii. Teraz moc obliczeniowa znacznie wzrosła – i nieustannie rośnie. Pozwala to na liczne postępy, nawet przy aplikacjach dla branż takich jak finanse, marketing, medycyna, logistyka, lotnictwo, biometria i wiele innych. Jednak w przypadku odwoływania się do wysoce złożonych modeli do przewidywania nadal istnieją ograniczenia obliczeniowe.
Wyraźnym tego przykładem może być gra w szachy: ciężko jest wygrać z robotycznym przeciwnikiem, ale nie ma czegoś takiego jak w 100% skuteczny robot, a to z powodu dużej liczby zmiennych (10 ^ 50 możliwych pozycji ). Jednak wraz z postępem technologii obliczeń kwantowych opracowanie robota zawierającego wszystkie możliwe stany przestaje być utopijną wizją.
Co więcej, wykładniczy wzrost szybkości przetwarzania i możliwych kombinacji, które oferują komputery kwantowe, oznacza rozwiązywanie problemów, których nie można było rozwiązać dlatego, że wymagają one ogromnej mocy obliczeniowej lub nowych odkryć związanych z przetwarzaniem języka naturalnego. Dodatkowo możemy udzielić praktycznej odpowiedzi na problemy teoretyczne, a nawet sprawy, które wydają się pochodzić z filmu sci-fi.
KRYPTOGRAFIA I CYBERBEZPIECZEŃSTWO. W tym miejscu warto podkreślić, że kubity są bardziej korzystne niż bity, jeśli chodzi o liczbę różnych kombinacji, do tego stopnia, że maszyna kwantowa z 300 kubitami byłaby w stanie przedstawić więcej wartości niż wszystkie atomy we wszechświecie. Dlatego pliki zaszyfrowane można odszyfrować w stosunkowo krótkim czasie. Obecnie istnieje społeczność odpowiedzialna za tworzenie i sugerowanie algorytmów post-kwantowych, aby zapobiec naruszaniu środków bezpieczeństwa przez nadmierną zdolność przetwarzania. Istnieje potencjalne długofalowe zagrożenie w zakresie bezpieczeństwa cybernetycznego, które należy jak najszybciej uwzględnić, dostosowując systemy bezpieczeństwa do tego nowego paradygmatu.
MATEMATYKA. Jak wspomniałem powyżej, zwiększenie mocy obliczeniowej może sprawić, że koncepcje teoretyczne staną się rzeczywistością. Teraz, kiedy można przekroczyć jakąkolwiek granicę obliczeń, która wcześniej była nie do pomyślenia, jedyną granicą jest wyobraźnia matematyków. Moglibyśmy, na przykład nauczyć się wszystkich miejsc po przecinku liczby pi, znaleźć każdą pojedynczą liczbę pierwszą i wiele tak zwanych „problemów z nagrodą milenijną”, takich jak P vs. NP, która w skrócie polega na obliczeniu wyniku silni 70 (70!), czyli zbyt dużej liczby.
ASTRONOMIA. Pierwsze lądowanie człowieka na Księżycu, przełomowe wydarzenie w historii, zostało osiągnięte częściowo dzięki tradycyjnym obliczeniom (nawet przy mniejszej mocy obliczeniowej niż ta, którą możemy znaleźć w każdym używanym procesorze obliczeniowym). Bardzo interesujące jest rozważenie, dokąd obliczenia kwantowe prawdopodobnie zaprowadzą nas w przyszłości, nie tylko na poziomie fizycznym, ale także odkrywając nieznane i nieosiągalne obszary.
KOMUNIKACJA KWANTOWA. Teleportacja kwantowa w kosmosie została pomyślnie przeprowadzona; jednak przetestowanie tej koncepcji zajmie nam więcej czasu niż pozostałych wyżej wymienionych pomysłów, co nie oznacza, że jest ona mniej ważna lub mniej prawdopodobna. W przyszłości bardzo istotne będzie rozważenie właściwości mechaniki kwantowej, a dokładniej właściwości obliczeń kwantowych, w celu wdrożenia sieci kwantowych (zwykle nazywanych „internetem kwantowym”) jako alternatywnego systemu telekomunikacyjnego. Pomysł polega na połączeniu „węzłów kwantowych” używanych jako repeatery w celu dostarczania wiadomości z „A” do „B”, podobnie jak w obecnych koncepcjach systemów telekomunikacyjnych, ale szybciej i bezpieczniej. Aby wdrożyć tę nową technologię i osiągnąć deterministyczne wyniki podczas każdego transferu informacji, musimy dogłębnie poznać właściwości mechaniki kwantowej.
Quantum computing nie zastąpi tradycyjnych komputerów
Na koniec warto zaznaczyć, że komputery kwantowe są używane razem z komputerami tradycyjnymi, a nowe nie zastąpią starych – przynajmniej w obecnej perspektywie, bo każdy ma swoje indywidualne cechy.
Wszystko wskazuje na to, że wczesne etapy wprowadzania technologii kwantowej na rynek będą koncentrować się na jej kompatybilności z tradycyjną informatyką z logicznego powodu: w zasadzie informacje oraz systemy na poziomie oprogramowania i sprzętu są obecnie w myśl tradycyjnych zasad. W perspektywie krótkoterminowej, aby ułatwić to przejście, oczekuje się „oprogramowania pośredniego” lub „systemów pośrednich”. Przy ich użyciu przetwarzanie zadań odbywa się za pośrednictwem komputerów kwantowych, oprogramowanie pośredniczące tłumaczy wyniki kubitów na bity, a informacje są przesyłane do tradycyjnych komputerów w kompatybilnej formie.
W przypadku tego typu architektury tradycyjne komputery nie muszą uczyć się, „co za nimi stoi” ani kto jest odpowiedzialny za przetwarzanie; wystarczy wysłać polecenia lub wskazówki do procesora kwantowego, aby mógł wykonać odpowiednie zadania, a następnie musi czekać na tradycyjne wyniki w bitach przetłumaczonych przez system pośredni. Ta wydajność jest podobna do obecnej wydajności komputerów kwantowych obsługiwanych z chmury.