Kiedy będziemy używać komputerów kwantowych?

Nad komputerami kwantowymi pracują zarówno największe korporacje, jak i start-upy technologiczne. Większość dostawców chce oferować dostęp do nich przez chmurę. Niektórzy już testują możliwości systemów, a eksperci twierdzą, że w ciągu kilku lat doczekamy się rozwiązania, z którego będą mogły korzystać przeciętne firmy. Ale czy rzeczywiście jest na co czekać?

Klasyczny komputer pomaga w realizacji wielu niesamowitych rzeczy, niemniej „pod maską” to tak naprawdę tylko zaawansowany kalkulator, używający sekwencji bitów 0 i 1, reprezentujących dwa stany, o których można myśleć jak o przełącznikach „włącz” i „wyłącz”. Taka metoda pracy pozwala podejmować decyzje dotyczące danych, które wprowadzamy zgodnie z ustalonymi wcześniej instrukcjami. A komputery kwantowe? Te działają w zupełnie inny sposób (ramka „Jak działa komputer kwantowy?”) i nie zastąpią klasycznych komputerów. Mają pełnić rolę innego narzędzia i posłużyć do rozwiązywania problemów wykraczających poza możliwości klasycznego peceta czy nawet superkomputera.

Żyjemy w epoce Big Data, kiedy pojawia się coraz więcej informacji i danych do przechowywania i przetwarzania. Klasyczne komputery mają przed sobą coraz trudniejsze zadania, tym bardziej że w większości przypadków są ograniczone do robienia jednej rzeczy na raz, więc im bardziej złożony jest problem, tym dłużej trwa szukanie rozwiązań. I tu dochodzimy do zastosowania dla komputerów kwantowych: problem, który wymaga większej mocy obliczeniowej i czasu, niż są w stanie zaoferować klasyczne komputery, to jest określany przez informatyków jako intractable, co można tłumaczyć jako nietraktowany — niemożliwy do rozwiązania. Takim problemem jest np. złamanie algorytmów szyfrujących dane. Tymczasem komputery kwantowe mają rozwiązać właśnie tego typu problemy.

Zobacz również:

Tradycyjne komputery mają znaczną przewagę nad komputerami kwantowymi w większości zastosowań. Podobno minie jeszcze około 10 lat, zanim powstaną rozwiązania odporne na awarie, zapewniające spójne, stabilne działanie wraz z funkcją automatycznego korygowania błędów.

Jak w praktyce działa komputer kwantowy? Można to wytłumaczyć na przykładzie popularnej gry mobilnej Angry Birds. Jeżeli gramy w Angry Birds na iPadzie, procesor urządzenia przeprowadza pewne matematyczne równania, które zostały zaprogramowane w bibliotekach gry, aby symulować skutki grawitacji oraz interakcji podskakujących i obijających się o siebie obiektów. Tak właśnie działają klasyczne komputery. Natomiast komputery kwantowe wykorzystują całkowicie inne podejście. W przypadku Angry Birds wyglądałoby to następująco: zacznijmy rzucać postaciami z gry (ptakami) i zobaczmy, co się stanie. Komputery te postawiłyby przed sobą problem do rozwiązania, który brzmiałby: to są twoje ptaki, zobacz, skąd je wyrzucasz, sprawdź, jaka jest o

ptymalna trajektoria. Komputer następnie sprawdziłby wszystkie możliwe rozwiązania — lub przynajmniej bardzo dużo kombinacji — i wróciłby z odpowiedzią. „W przypadku komputerów kwantowych nie ma tylko matematycznego podejścia w rozwiązywaniu problemu. Rozwiązaniem problemu zajmują się tu prawa fizyki” — tłumaczy Marcos López de Prado, doradca naukowy w 1QBit, firmie zajmującej się opracowywaniem oprogramowania dla komputerów kwantowych.

Od korporacji po raczkujące start-upy

Jeszcze w 2017 r. wydawało się, że to Google wysuwa się na prowadzenie, jeśli chodzi o stworzenie komputera kwantowego, który zaoferowałby znacznie lepsze możliwości niż klasyczne komputery. Firma chwaliła się osiągnięciami w marcu ub. r. w magazynie „Nature”, informując że w ciągu pięciu lat chce być liderem branży i skomercjalizować technologie kwantowe. Przed końcem 2017 r. Google informowało, że dysponuje 49-kubitowym komputerem kwantowym.

Mniej więcej w tym samym czasie IBM poinformował, że ma 50-kubitowy komputer kwantowy, ale obie maszyny można było określić co najwyżej ciekawostkami, bo nie były w stanie (i nadal nie są) pracować stabilnie przez długi czas. W przypadku IBM można mówić o ok. 90 mikrosekundach, co jest rekordem, ale ciągle daleko tu do czasów, w których komputer kwantowy mógłby znaleźć praktyczne zastosowania. Można natomiast pochwalić IBM za to, że znalazł pierwsze komercyjne zastosowania dla komputera kwantowego. Już od 2016 r. firma pozwoliła naukowcom na przeprowadzanie eksperymentów na 5-kubitowym komputerze pracującym w chmurze, a pod koniec 2017 r. zaoferowała podobny system, ale 20-kubitowy (patrz ramka „Komputer kwantowy w chmurze”).

Ale IBM i Google to tylko dwóch graczy na rynku komputerów kwantowych. Firm, które mają zauważalne osiągnięcia, jest znacznie więcej. Zacząć można choćby od Microsoftu. Prezes firmy, Satya Nadella, zapowiedział, że komputery kwantowe, jak również sztuczna inteligencja i rzeczywistość rozszerzona to trzy najważniejsze technologie dla przyszłości jego firmy. Microsoft chce włączyć komputery kwantowe do oferty chmurowej Azure w ciągu pięciu lat. Udostępnił też bezpłatną wersję Quantum Development Kit dla tych, którzy chcą zacząć pisać aplikacje dla komputerów kwantowych.

Kalifornijski start-up Rigetti tworzy natomiast zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie. Obecnie pracuje nad poprawianiem stabilności własnego systemu i zapowiada, że prawdopodobnie uda mu się zbudować komputer, z którego będą mogli korzystać wszyscy użytkownicy. Z kolei firma D-Wave z Kanady stworzyła rozwiązanie, które nazywa „systemem 2000-kubitowym” (ma on jednak duże ograniczenia), a także jest pierwszą firmą, która sprzedaje komputery kwantowe — pierwszy, za 10 mln USD, sprzedała w 2011 r.

Forest to platforma działająca w chmurze, udostępniona przez start-up Rigetti. Programiści mogą w języku Python tworzyć i uruchamiać programy kwantowe, które działają w wirtualnym, 26-kubitowym symulatorze Quantum Virtual Machine.

Forest to platforma działająca w chmurze, udostępniona przez start-up Rigetti. Programiści mogą w języku Python tworzyć i uruchamiać programy kwantowe, które działają w wirtualnym, 26-kubitowym symulatorze Quantum Virtual Machine.

Zapata Computing to kolejny start-up, założony w maju br. Firma pracuje nad opracowywaniem algorytmów obliczeniowych i oprogramowaniem, które mogłoby współpracować ze sprzętem Rigetti, IBM i innych producentów. I jeszcze warto wspomnieć o Intelu, który w lutym br. ogłosił, że znalazł sposób na wytwarzanie układów kwantowych z krzemu, co może znacznie ułatwić produkcję chipów przy użyciu istniejących metod.

W marcu 2017 r. Volkswagen rozpoczął współpracę z D-Wave, aby za pomocą komputera kwantowego wypracować optymalny przepływ ruchu dla 10 tys. taksówek w Pekinie.

W marcu 2017 r. Volkswagen rozpoczął współpracę z D-Wave, aby za pomocą komputera kwantowego wypracować optymalny przepływ ruchu dla 10 tys. taksówek w Pekinie.

Na co czekamy?

Komputery 50-kubitowe mogą już wykonywać zadania, z jakimi klasyczne komputery nie są w stanie sobie poradzić, w tym superkomputery. Ale kubity są bardzo kruche i nie mogą długo pozostać w stanie kwantowym. Jeśli nie utrzymują właściwego stanu, dochodzi do błędów w obliczeniach, a im więcej kubitów połączymy, tym więcej błędów możemy wygenerować. Co ciekawe, błędy można korygować np. za pomocą oprogramowania, ale wówczas zużywamy tak dużo mocy obliczeniowej, że samo korzystanie z komputera kwantowego przestaje być opłacalne.

Obecnie jesteśmy na takim etapie, że tradycyjne komputery ciągle mają znaczną przewagę nad komputerami kwantowymi w przypadku większości zastosowań i prawdopodobnie tak będzie jeszcze przez co najmniej kilka lat. Nawet firmy, które inwestują dużo środków w komputery kwantowe, takie jak Google, informują, że minie jeszcze ok. 10 lat, zanim doczekamy się rozwiązań, które będą odporne na awarie i zapewnią spójne, stabilne działanie wraz z funkcją automatycznego korygowania błędów.

Gdy komputery kwantowe będą standardem, każdy użytkownik będzie mógł zadać dowolne pytanie, mówiąc naturalnym dla siebie językiem, a komputer bez trudu znajdzie najlepsze możliwe rozwiązanie.

Kiedy powstanie komputer kwantowy, który będzie w stanie stabilnie i długo pracować, wtedy powinniśmy oczekiwać znacznego postępu na wielu płaszczyznach i rynkach. IBM widzi np. zastosowania w dziedzinach takich jak medycyna, w tym odkrywanie nowych leków. Dużo mówi się o znalezieniu leków na raka. Kolejne zastosowania to sztuczna inteligencja i machine learning, a także rozwiązywanie tzw. problemów optymalizacyjnych, takich jak „znajdź najwyższy szczyt w tym paśmie górskim” czy „znajdź najszybszą drogę pomiędzy tymi dwoma punktami, oddzielonymi kilkoma rzekami i poprzecinanymi przez kilka mostów”. Takimi problemami optymalizacyjnymi zajmuje się głównie wspomniany 2000-kubitowy system D-Wave.

Gdy komputery kwantowe będą standardem, każdy użytkownik będzie mógł zadać dowolne pytanie, mówiąc naturalnym dla siebie językiem, a komputer bez trudu znajdzie najlepsze możliwe rozwiązanie. Inni dostrzegają też negatywne konsekwencje, np. komputer kwantowy bez większych problemów poradzi sobie z łamaniem zabezpieczeń polegających na szyfrowaniu danych. Prawdopodobnie powstaną o wiele silniejsze, inne zabezpieczenia.

Zanim jednak będzie można mówić o możliwościach komputerów kwantowych i ich przewadze nad obecnie dostępnymi i stosowanymi klasycznymi komputerami, trzeba uzbroić się w cierpliwość. A do tego czasu? Na razie bardziej użyteczny pozostanie jeszcze poczciwy laptop.

Jak działa komputer kwantowy?

Jeśli nieszczególnie interesujemy się fizyką, zrozumienie tego, jak działa komputer kwantowy, może być wyzwaniem. Nie oznacza to jednak, że jest to poza naszym zasięgiem. Najpierw krótka definicja: komputery kwantowe to nic innego jak zaawansowane podejście do przetwarzania danych, gdzie używamy bitów kwantowych zwanych kubitami (to zarazem najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej). Kubity mogą reprezentować i przechowywać wartości 0, 1, lub superpozycje, czyli kombinacje zarówno 0 i 1. O ile standardowy komputer ma ustalone wartości 0 lub 1, o tyle kubity w trakcie obliczeń znajdują się w stanie pośrednim, i to określamy kwantową superpozycją zera i jedynek. Na tym etapie trzeba już wiedzieć, że pojedynczy wynik obliczeń komputera kwantowego będzie niepewny i kluczowe jest wykonanie całej serii obliczeń — dopiero ich średnia wartość z dużą dokładnością określi prawidłowy wynik.

Wynik będzie bardziej dokładny, jeśli komputer przeprowadzi więcej obliczeń. Kubit natomiast niesie w sobie znacznie więcej informacji niż zero-jedynkowy bit, dlatego jest w stanie wykonać równolegle wiele obliczeń. Co więcej, wspomniane superpozycje umożliwiają komputerom kwantowym szybsze działanie, które przekracza szybkość klasycznego przetwarzania danych, gdzie wykorzystujemy tylko bity 0 lub 1.

D-Wave 2x, komputer kwantowy firmy D-Wave Systems Inc.

D-Wave 2x, komputer kwantowy firmy D-Wave Systems Inc.

Aby przeprowadzić obliczenia z wieloma kubitami, wszystkie muszą być podtrzymywane we współzależnych superpozycjach stanów, zwanych także stanami koherentnymi kwantowo, gdzie kubity są ze sobą „splątane”. Kiedy kubit jest „splątany”, zmiana u jednego może wpłynąć na wszystkie pozostałe. Jednocześnie kubity są bardzo kruche — wahania temperatury, hałasu, częstotliwości i ruchu mogą prowadzić do stanu, który fizycy określają dekoherencją, tzw. wyciekiem energii, co doprowadza do wykolejenia obliczeń komputerowych.

Nawet najdrobniejszy kontakt z otoczeniem może wpłynąć na wynik pomiaru. Obecnie, jak podaje firma IBM, kubity mogą utrzymać swój stan kwantowy tylko przez ok. 100 mikrosekund przed dekoherencją. Z tego powodu komputery kwantowe muszą znajdować się w specjalnie przygotowanym środowisku. Wymagają m.in. chłodzenia na poziomie 0,015 stopni Kelvina, czyli ok. -273 stopnie Celsjusza, temperatury bliskiej zera bezwzględnego. Muszą być też umieszczone w wysokiej próżni, gdzie są pod ciśnieniem 10 mld razy niższym niż ciśnienie atmosferyczne. I dodatkowo kwantowe cząstki są ekranowane przed polem magnetycznym o sile 50 tys. mniejszej niż pole magnetyczne Ziemi. Inaczej mówiąc, w dającej się przewidzieć przyszłości komputery kwantowe nie zagoszczą w naszych biurach.

Komputery 50-kubitowe mogą już wykonywać zadania, z jakimi klasyczne komputery nie są w stanie sobie poradzić, w tym superkomputery. Ale kubity są bardzo kruche i nie mogą długo pozostać w stanie kwantowym. Jeśli nie utrzymują właściwego stanu, dochodzi do błędów w obliczeniach.

Komputer kwantowy w chmurze

Na razie komputery kwantowe nie nadają się do większości zastosowań, do których wykorzystujemy klasyczne komputery, ponieważ generują zbyt dużo błędów w obliczeniach i nie działają wystarczająco stabilnie. IBM nawiązał jednak partnerstwa z niektórymi korporacjami i dużymi instytucjami finansowymi, które już eksperymentują z komputerem kwantowym. Dostęp do komputera odbywa się przez chmurę. Inni dostawcy, np. Microsoft i Google, również planują oferować komputery kwantowe w modelu chmurowym.

W ramach swojej oferty IBM oferuje sieć Q Network, 20-kubitowy komputer kwantowy w chmurze. Partnerzy IBM, którzy nawiązali współpracę, to m.in.:

• JPMorgan, który sprawdza możliwości komputera kwantowego w celu zbadania, czy można go wykorzystywać do strategii handlowych i giełdowych, optymalizacji portfolio finansowego, a także do wyceny aktywów oraz analiz ryzyka.

• Daimler, który bada, czy komputery kwantowe mogą pomóc w doskonaleniu procesów produkcyjnych, kierować flotą autonomicznych samochodów lub pomóc w opracowaniu nowych materiałów wykorzystywanych w produkcji samochodów.

• Samsung, który testuje możliwości komputera w zakresie wpływu, jaki może on mieć na półprzewodniki.

• JSR, który sprawdza zastosowania chemiczne.

Firmy i organizacje, które testują komputery kwantowe, robią to również po to, aby zyskać know-how. Kiedy rozwiązania te będą gotowe do użytku komercyjnego, partnerzy sieci IBM Q Network będą czuć się komfortowo w pracy z takimi systemami.

IBM Q Network, 20-kubitowy komputer kwantowy działający w chmurze.

IBM Q Network, 20-kubitowy komputer kwantowy działający w chmurze.

Warto dodać, że na razie nie możemy wykorzystywać i realizować rzeczywistych zadań na komputerach kwantowych i w grę wchodzą głównie wszelkiego rodzaju symulacje. Niektórzy informują jednak, że to możliwe, ale zazwyczaj chodzi o dostęp do superkomputera działającego w chmurze, nie zaś komputera kwantowego. W przypadku IBM takim komputerem jest Watson w ramach usługi Watson Analytics (analiza i wizualizacja danych, odkrywanie wzorców i analizy predykcyjne z możliwością przetwarzania kognitywnego). Więcej informacji: IBM Q Network, http://research.ibm.com/ibm-q/.