Przyjęło się mówić, że komputery kwantowe mają wykonywać zadania, które są praktycznie niemożliwe do zrealizowania przez tradycyjne urządzenia. Głównie jednak chodzi o to, że komputery kwantowe będą w stanie rozwiązywać problemy o wysokiej złożoności obliczeniowej, czyli takie, które są nie do rozwiązania przez klasyczne komputery w czasie wielomianowym. „Głównymi problemami, z którymi mamy nadzieję, że poradzą sobie komputery kwantowe, są problemy optymalizacyjne (np. problem komiwojażera), złożone symulacje, czy też tworzenie nowych leków i materiałów" — mówi dr Piotr Biskupski, zajmujący stanowisko IBM Pan-IMT Client Technical Professional i IBM Q Technical Ambassador w IBM Polska. Dodaje, że nie chodzi o to, aby zrobić coś szybciej niż komputery klasyczne, ale żeby dany system potrafił wykorzystać synergię klasycznego podejścia i kwantowego. „Przykładem mogą być algorytmy hybrydowe, które pozwalają na optymalne wykorzystanie komputera klasycznego, połączonego z komputerem kwantowym” — mówi ekspert.

Inaczej mówiąc, nie powinniśmy uważać, że zmierzamy w kierunku supremacji kwantowej. Raczej chodzi o doprowadzenie do sytuacji, w której tam, gdzie można to zrobić, nadal będą wykorzystywane komputery tradycyjne, a jeśli problem można rozwiązać przez komputer kwantowy – wtedy zostanie on do tego użyty.

Qiskit, czyli kod kwantowy

W ofercie IBM znajdziemy framework Qiskit, który jest flagowym i otwartym narzędziem IBM do tworzenia własnego kodu, który później można uruchomić na ogólnodostępnych urządzeniach w ramach sieci IBM Quantum.

Jak tłumaczy przedstawiciel IBM, Qiskit składa się z czterech elementów:

1. Terra: bezpośredni dostęp do maszyny, możliwość kontroli kubitów oraz kontroli uruchamianego kodu
2. AER: pozwala na dostęp do symulatorów oraz możliwość stworzenia własnego symulatora.
3. Ignis: za pomocą tego frameworku możliwa jest kontrola i usuwanie zakłóceń pojawiających się w dostępnych maszynach klasy NISQ.
4. Aqua: zestaw bibliotek programistycznych, który podzielony jest na kilka podrozdziałów i który bardzo pomaga w tworzeniu aplikacji. Dzięki temu możliwe jest skorzystanie z doświadczenia i wiedzy działów R&D firmy IBM i to właśnie ten komponent wyraźnie pozwala na łatwiejsze i szybsze tworzenie aplikacji, nawet bez znajomości zasad działania komputerów kwantowych i mechaniki kwantowej.

Jednocześnie warto zauważyć, że widoczny jest duży wzrost zainteresowania platformą Qiskit i tworzeniem aplikacji na komputery kwantowe. „Przeglądając statystyki wykorzystania naszych urządzeń w ramach sieci IBM Q Network, aktualnie mamy ponad 16 tys. aktywnych użytkowników z 141 krajów, a tylko w kwietniu br. wykonano ponad 8 miliardów eksperymentów” — zauważa dr Piotr Biskupski.

W tym roku IBM ogłosił też wyzwanie Quantum Challenge z czterema etapami (z okazji 4. rocznicy uruchomienia komputera IBM w chmurze). Wzięło w nim udział aż 1745 osób z 45 krajów. Poziom trudności wyzwań był bardzo zróżnicowany, zaczynając od stosunkowo prostych relacji obrotu kubitów, poprzez kryptografię kwantową, kończąc na optymalizacji obwodu kwantowego. „Zadania okazały się bardzo wymagające, ponieważ tylko 574 osoby poprawnie rozwiązały wszystkie ćwiczenia” — mówi ekspert. W trakcie trwania wyzwania uczestnicy wykorzystali wszystkie systemy (łącznie 18) należące do sieci IBM Q Network.

„Przykład IBM Quantum Challenge pokazuje, że tworzenie aplikacji na komputery kwantowe jest dość trudne, a ilość specjalistów dostępnych na rynku jest mocno ograniczona” — uważa Piotr Biskupski. Firma IBM współpracuje jednak z wieloma startupami, które coraz śmielej wchodzą na ten rynek i wnoszą unikalne pomysły i umiejętności, przez co adopcja technologii kwantowych przez duże firmy będzie o wiele szybsza.

„Ciągle musi jednak upłynąć jeszcze trochę czasu, aby zbudować zaawansowane zespoły programistów, którzy będą w stanie tworzyć bardzo zaawansowane programy” — dodaje ekspert IBM.

Wiele ciekawych zastosowań

Sieć IBM Q Network istnieje od 2017 r. Aby ułatwić prace programistów w tym roku firma wprowadza abstrakcje o nazwie Quantum Algorithms & Applications (QA&A), w ramach których udostępnia bibliotekę obwodów podzieloną na praktyczne zastosowania. Dodatkowo IBM oferuje moduły optymalizacyjne, czyli biblioteki dla badaczy i osób początkujących, które chcą zacząć przygodę z rozwiązywaniem problemów optymalizacji. „Przebudowaliśmy też główne algorytmy Qiskita, aby ułatwić tworzenie prototypów i wykorzystanie nowatorskich metod obliczeniowych” — dodaje przedstawiciel IBM.

Dla wyjaśnienia: IBM Q Network łączy uniwersytety, laboratoria badawcze, liderów branży i firmy dopiero rozpoczynające działalność w sektorze kwantowym, jak również partnerów biznesowych i inne firmy, które chcą rozwijać te technologie i odkrywać kolejne praktyczne zastosowania. W ramach sieci oferowany jest dostęp do najbardziej zaawansowanych komputerów kwantowych i oprogramowania, a także szkoleń, doradztwa, wsparcia technicznego i możliwości współpracy z naukowcami z działu badań IBM. „Ten unikalny ekosystem sprawił, że sieć IBM Q Network zyskała ogromną popularność w różnych sektorach i branżach, rozrastając się do ponad 90 członków, odnotowując ponad 190 000 rejestracji, ponad 94 miliardy wykonań obwodów kwantowych na urządzeniach chmurowych IBM i ponad 36 miliardów na symulatorach IBM Q od 2018 roku, a także 214 publikacji naszych partnerów korzystających z systemów IBM Q” — wymienia dr Piotr Biskupski.

Co do tej pory udało się zrealizować w ramach Q Network? Jednym z przykładów jest zastosowanie obliczeń kwantowych w realnym życiu, czego dokonali naukowcy z IBM i Daimler AG, spółki macierzystej Mercedes-Benz. Było to wykorzystanie komputera kwantowego do modelowania momentu dipolowego trzech cząsteczek zawierających lit, co przybliża nas o krok do następnej generacji baterii litowo-siarkowych (Li-S), które byłyby mocniejsze, trwalsze i tańsze niż obecnie powszechnie stosowane baterie litowo-jonowe.

Innym ciekawym przykładem są materiały magnetyczne, które mogą być w czołówce nadchodzącej rewolucji w elektronice. „Przyszłe urządzenia elektroniczne, takie jak długotrwałe pamięci nanoskalowe lub odporne na hałas kwantowe platformy obliczeniowe, mogą stać się możliwe dzięki wykorzystaniu dynamiki magnetycznych układów molekularnych" — dodaje ekspert IBM. A to oczywiście tylko kilka przykładów. IBM pracuje też np. z dużymi bankami nad przyspieszeniem i zwiększeniem dokładności obliczeń opcji finansowych i zastosowaniu nowatorskich algorytmów kwantowych. Wyniki tych doświadczeń są opisane na stronie IBM.

Więcej o kwantach na IBM Think Summit 2020

W ramach swoich struktur IBM zbudował zespoły, dzięki którym jest w stanie wspomóc partnerów w podniesieniu poziomu wiedzy, ale również zdefiniowaniu problemów, które można wspólnie rozwiązać przy wykorzystaniu dostępnych urządzeń kwantowych. Przyspieszenie tego procesu wymaga szerokiej współpracy - przykładem jest oczywiście sieć IBM Q Network, w ramach której działa już ponad 100 firm z różnych sektorów, w tym akademickich i komercyjnych. Ważne są również startupy - te również dołączają do IBM Q Network i obecnie jest ich ponad setka.

„Wszystko to przekłada się na szybszy rozwój i adopcję technologii kwantowej, która jest tak bardzo różna od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni, myśląc dziś o komputerach” — mówi dr Piotr Biskupski.

Na IBM Think Summit 2020 , która odbędzie się we wrześniu w Warszawie, poznamy wiele szczegółów na temat wykorzystania komputerów kwantowych. Dowiemy się też, co można zrobić (i jak), aby już teraz zacząć prace nad aplikacjami kwantowymi. Tu warto podkreślić, że jednym z ważniejszych kierunków dla komputerów kwantowych jest sztuczna inteligencja. Eksperci prognozują, że komputery tego typu odegrają kluczową rolę w uczeniu maszynowym. Jednocześnie są też inne, ciekawe zastosowania. „Myślę że najbardziej obiecującymi kierunkami są optymalizacja, chemia kwantowa i wsparcie wszelakiego rodzaju symulacji” — dodaje przedstawiciel IBM.

Zachęcamy do rejestracji na IBM Think Summit 2020: https://www.ibm.com/pl-pl/events/think-summit/