Miejsce przyszłości

Powstanie komputera kwantowego otworzyłoby przed informatyką nieznane dotychczas perspektywy, umożliwiając rozwiązanie wielu zadań, z którymi dzisiaj nie potrafimy sobie poradzić. Wciąż jednak nie wiadomo, czy pomimo niepodważalnej podbudowy teoretycznej komputer kwantowy uda się rzeczywiście stworzyć.

Powstanie komputera kwantowego otworzyłoby przed informatyką nieznane dotychczas perspektywy, umożliwiając rozwiązanie wielu zadań, z którymi dzisiaj nie potrafimy sobie poradzić. Wciąż jednak nie wiadomo, czy pomimo niepodważalnej podbudowy teoretycznej komputer kwantowy uda się rzeczywiście stworzyć.

Czy komputery kwantowe staną się rzeczywistością? Z punktu widzenia logiki działania maszyny liczącej nic nie stoi na przeszkodzie, by tak się stało. W połowie lat 70. XX w. grupa studentów informatyki z Massachusetts Institute of Technology zbudowała komputer z drewnianych patyczków i krążków pochodzących z dziecięcej układanki Tinkertoy. Maszyna potrafiła grać w kółko i krzyżyk. Gdyby jej konstrukcja była bardziej złożona, zapewne mogłaby wykonywać także i inne zadania. Oczywiście, skuteczność drewnianego komputera jest o wiele mniejsza niż krzemowego, ale jeden i drugi są w stanie wykonywać te same operacje logiczne. Równie dobrze komputer mógłby być wykonany z wielu innych materiałów, pod warunkiem że dałoby się za ich pomocą wykonywać algorytmy. Dlaczego więc do zbudowania komputera nie użyć pojedynczych atomów? Naukowcy twierdzą, że z punktu widzenia praw fizyki jest to możliwe. Także na gruncie matematyki da się opracować stosowne dla takiego systemu algorytmy. Do opanowania pozostaje wciąż jednak jeszcze kwestia technologicznych aspektów takiego rozwiązania. Czy uda się je pokonać?

Książka George'a Johnsona "Na skróty przez czas" jest pasjonującą opowieścią o perspektywach rozwoju komputerów kwantowych - możliwościach ich wykorzystania, trudnościach stojących na drodze do ich zbudowania oraz podejmowanych pomimo tego nieustannie prób i poszukiwań. Nie jest to książka naukowa, specjalistyczna, choć sam autor nazywa ją popularnonaukową. Może przeczytać ją każdy, kto dysponuje chociażby podstawowymi wiadomościami z zakresu informatyki, fizyki i matematyki, co jednak wcale nie oznacza, że jej lektura należy do łatwych. Intelektualny trud jednak powinien się opłacić, gdyż omawiane w książce zagadnienia pokazują wiele znanych dotychczas zagadnień z dziedziny informatyki czy matematyki w nowym, niezwykle interesującym świetle.

Krzemowe ograniczenia

Przyzwyczailiśmy się już do tego, że komputer zbudowany jest z krzemowych półprzewodników. Wraz z tym przekonaniem przyjęliśmy za pewnik tezę o niemożności przekroczenia na gruncie informatyki pewnych granic. Trudno nam przyjąć do wiadomości, że problemy niemożliwe do rozwiązania przez dzisiejsze komputery nie muszą wcale być takie dla innych maszyn liczących. Ograniczenia dotyczące tradycyjnych, krzemowych komputerów przyjmujemy za zjawiska o charakterze ogólnym, podczas gdy przy innej metodzie wykonywania tych samych operacji logicznych mogą się okazać łatwe do przezwyciężenia. Szansę na to dają właśnie komputery kwantowe. Dlatego m.in. wizja ich powstania nie od dzisiaj tak mocno rozpala wyobraźnię wielu naukowców i inżynierów.

Tym co chyba najbardziej stymuluje do prac nad komputerem kwantowym, tym co najbardziej pociąga uczestników tych prac, jest możliwa do osiągnięcia szybkość przetwarzania danych. Jeżeli, zgodnie z zasadami fizyki kwantowej, cząstka może być w dwóch położeniach równocześnie, to może przecież w tym samym czasie wykonywać dwie operacje logiczne równocześnie. Osiągnięcie olbrzymich mocy obliczeniowych w tradycyjnych, krzemowych komputerach wymaga rozbudowywania ich do olbrzymich rozmiarów. Należący do najpotężniejszych maszyn obliczeniowych na świecie komputer Blue Mountain w laboratorium zbrojeniowym w Los Alamos zajmuje halę o powierzchni tysiąca metrów kwadratowych, ma 6244 procesory, zużywa 1,6 MW energii elektrycznej. Wykonuje 3 biliony operacji na sekundę. Tak samo wydajny komputer kwantowy byłby miniaturowych rozmiarów.

Ile czasu mogłoby zająć używanym dzisiaj komputerom rozłożenie pięćdziesięciocyfrowej liczby na czynniki pierwsze? Przy założeniu, że czas wykonania jednej operacji liczony jest w nanosekundach, trwałoby to... 23 mln lat. Oczywiście ten czas można by skrócić, łącząc ze sobą moce wielu komputerów na świecie (co zresztą już się czyni w projektach gridowych). Jak wiele jednak maszyn trzeba by używać, by przy tego typu zadaniach osiągnąć zadowalające czasy obliczeń? Ile miejsca musiałyby zająć wszystkie wykorzystywane do tego celu maszyny? W tym kontekście warto zapytać, jak szybko uporałby się z zadaniem komputer kwantowy.

Dzięki możliwości wykorzystania kwantowej równoległości stanów, mógłby wykonać wszystkie obliczenia naraz. "W dziedzinie obliczeń mechanika kwantowa wskazuje nam drogę na skróty przez czas" - pisze George Johnson.

Kwantowe perspektywy

W rozważaniach tego typu perspektyw obliczeniowych chodzi nie tylko o rzeczy natury czysto teoretycznej. Znalezienie sposobu szybkiego rozkładu liczb na czynniki pierwsze zadowoliłoby nie tylko samych matematyków, bo operacje tego typu, jak wiadomo, mają podstawowe znaczenie w kryptografii. W algorytmie podpisu elektronicznego dzisiejsza technologia czyni klucz prywatny praktycznie nie do złamania, a przynajmniej w rozsądnym czasie. Natomiast komputer kwantowy uporałby się z tym bardzo szybko. Trudno spekulować, jakie mogłoby to mieć skutki dla dalszego rozwoju kryptografii i bezpieczeństwa informacji w systemach komputerowych, choć zapewne przyszedłby wówczas czas na kryptografię kwantową.

Błyskawiczny rozkład liczb na czynniki pierwsze to tylko jedna z imponujących, niesamowitych możliwości działania i perspektyw poznawczych otwierających się przed ludźmi w momencie uruchomienia komputera kwantowego. W książce opisane są przykłady wielu innych sytuacji i problemów, których rozwiązanie mogłoby się stać możliwe za sprawą obliczeń wykonywanych na komputerach kwantowych. Być może udałoby się wtedy poznać tajemnicę tworzenia się łańcuchów aminokwasów składających się na białka w organizmach żywych, rozwiązać zagadkę trasy komiwojażera (jak wytyczyć najkrótszą drogę między miejscowościami, by do żadnej z nich nie wracać? - dla dziesięciu miast istnieją prawie 2 mln, a dokładnie 1814400 możliwości wybrania niepowtarzalnej trasy), czy też poradzić sobie z wieloma innymi problemami NP-zupełnymi (a więc praktycznie nierozwiązywalnymi z wykorzystaniem dostępnych obecnie maszyn obliczeniowych).

Komputery kwantowe mogłyby stworzyć szansę efektywnego przetwarzania nieuporządkowanych zasobów informacji. Oczywiście nieprzypadkowo pojawia się tutaj tryb przypuszczający - słowo "mogłyby" to w tej chwili najlepsze określenie odnoszące się do potencjału komputerów kwantowych. Nikomu bowiem jeszcze nie udało się zbudować komputera kwantowego. Prace nad jego stworzeniem jednak nie ustają. W laboratoriach naukowych i przemysłowych wciąż podejmowane są próby zaprzężenia cząstek elementarnych do prac obliczeniowych. Podejmuje się je w instytutach badawczych wyposażonych w supernowoczesną aparaturę, m.in. za pomocą spektografów magnetycznych czy tzw. pułapek jonowych. Efektem tych prac jest na razie wykonywanie pojedynczych operacji i obliczeń. Wielkim osiągnięciem było wyszukanie przez zespół IBM i Uniwersytetu Stanforda elementu z ośmioelementowej bazy danych. Badacze mają wciąż do pokonania wiele problemów natury zasadniczej - np. jak utrzymać atom w niezmienionej pozycji przez czas dłuższy niż pięćdziesięciomilionowa część sekundy.

Czy jest więc w ogóle szansa na zbudowanie komputera kwantowego? Warto tutaj przypomnieć, co w 1949 r. autor artykułu o komputerze Eniac pisał w Popular Mechanics - "Wprawdzie obecnie maszyna licząca, taka jak Eniac, zawiera 18 tys. lamp elektronowych i waży 30 ton, ale niewykluczone, że kiedyś w przyszłości komputery będą miały jedynie po tysiąc lamp, a ich waga spadnie do zaledwie pół tony". Dla uczczenia pięćdziesiątej rocznicy zbudowania Eniaka, grupa studentów z Uniwersytetu Pensylwania odtworzyła wszystkie jego obwody na krzemowym chipie o wymiarach 7,44 na 5,29 mm.

Nie należy więc oczekiwać, że gdy komputer kwantowy powstanie, to będzie podobny do dzisiejszych maszyn liczących. Badacze z Bell Labs przedstawili ideę urządzenia, w którym do obliczeń wykorzystywane byłyby elektrony unoszące się na powierzchni przechłodzonego ciekłego helu. Inni zaś pytają: skoro komputer może być cieczą, to dlaczego nie mógłby być i gazem? Niektórzy ostrożnie przypominają, że nie udało się też jednak zrealizować wielu innych wcześniejszych, równie fantastycznych wizji maszyn liczących, w tym np. komputera optycznego.

Co stanie się w przyszłości z ideą komputera kwantowego? To pytanie pozostaje wciąż bez odpowiedzi. Warto jednak pomyśleć o tym, co może nas czekać, gdyby technologia kwantowa stała się faktem.

George Johnson "Na skróty przez czas. Czy nadchodzi era komputerów kwantowych?", Prószyński i S-ka, Warszawa 2005

<hr size=1 noshade>Megafelieton o e-prawie

Miejsce przyszłości
Książka "Prawo w sieci: zakres regulacji Internetu" to zbiór opracowanych na nowo felietonów Piotra Waglowskiego, publikowanych na stronach prowadzonego przez autora serwisu Vagla. pl, poświęconego tematyce prawnej dotykającej rozwoju Internetu, branży informatycznej i społeczno-biznesowych aspektów zastosowań IT. Właśnie stylistyka i język tej książki stanowią jej ogromną zaletę - w końcu to duża sztuka, by pisać o prawie w sposób ciekawy, zrozumiały dla nieprawników, a zarazem poważny. Cała rzecz jest mocno subiektywna i wprowadza pewne uproszczenia, ale to cena wyraźnej obecności w przekazie emocji autora, dzięki którym wykładana materia z prawniczego matriksa przechodzi w świat ludzi.

Książka nie ma ogromnych rozmiarów, jednak intensywność nasycenia treścią jej blisko 400 stron sprawia, że jest to kopalnia informacji dotyczących styku prawa i informatyki. Szczerze mówiąc, próbowałem znaleźć jakiś temat z tego obszaru, który byłby nieobecny w książce Piotra Waglowskiego, ale mi się nie udało. Książka jest przecież owocem wieloletniej mrówczej pracy - serwis Vagla. pl wszak jest serwisem żywym i praktycznie każdego dnia pojawiają się na nim nowe informacje dotyczące wydarzeń tyczących styku prawa i informatyki, interpretacji przepisów czy spraw sądowych dotyczących Internetu, informatyki i jej zastosowań.

Główne obszary tematyczne książki to handel i marketing elektroniczny w kontekście ochrony konsumentów i bezpieczeństwa obrotu gospodarczego, globalizacja a rozwój sieci elektronicznej komunikacji i dotyczących ich regulacji prawnych, ochrona własności intelektualnej a dostęp do dóbr kultury i możliwości realizacji praw człowieka, historia tworzenia regulacji prawnych dotyczących nowych mediów, obieg informacji w sieci a granice wolności słowa.

Pewną wadą książki jest nieco mała czcionka - można odnieść wrażenie, że zbyt wiele treści usiłowano umieścić na zbyt małej powierzchni. Brakuje również indeksu. Jednak tę pozycję można z pełnym przekonaniem polecić wszystkim zainteresowanym kontekstami prawnymi w obrębie rozwoju informatyki i sieci elektronicznej komunikacji, którzy szukają żywego, strawnego źródła informacji, nie zaś akademickiego opracowania.

Piotr Waglowski, "Prawo w sieci: zakres regulacji Internetu", wyd. Helion, 2005

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200