Komputery kwantowe - przyszłość zaklęta w kubicie

Za kilka lat będziemy funkcjonować w rzeczywistości komputerów kwantowych. Pracują nad tym największe globalne firmy technologiczne. Dziś obliczenia kwantowe to domena naukowców, ale pomału możliwości nowej ery obliczeń dostrzegają podmioty rynkowe.

Kiedy będziemy używać komputerów kwantowych? IBM przewiduje, że za pięć lat obliczenia kwantowe wejdą do tzw. mainstreamu i pomogą rozwiązać problemy, które do niedawna uznawano za niemożliwe do rozwiązania. Chodzi o rozwiązywanie problemów obliczeniowych, które będą wykorzystywały takie zasoby jak pamięć, przestrzeń i czas. Komputery kwantowe to jeden z filarów strategii rozwoju tego koncernu – i nie tylko jego. Microsoft również zapowiedział, że najbliższe pięć lat to czas na przygotowanie oferty włączenia komputera kwantowego do chmury Azure. W niektórych państwach, np. w Chinach, rozwój technologii kwantowych wpisany jest nawet w rządowy program rozwoju.

Chińczycy zainwestują do 2020 roku 10 miliardów dolarów w informatykę kwantową. To kilkakrotnie więcej, niż na tego typu działania wydaje cała Europa.

Prace nad takim komputerem prowadzi też Google i kilka innych dużych firm technologicznych. To już nie są przesłanki, ale twarde fakty, które pozwalają wyciągać wnioski, że w niedalekiej przyszłości obliczenia kwantowe w mniejszym lub większym stopniu dotkną każdego z nas. A w czym konkretnie pomoże nam technologia kwantowa? I kto może na niej zyskać?

Zobacz również:

Komputery kwantowe. Kubit jako jednostka informacji

Czym jest komputer kwantowy? W komputerach, jakie znamy i których używamy na co dzień, dane zapisywane są w systemie binarnym. Mamy więc jedynkę albo zero. W komputerach kwantowych informacje przechowywane są w kubitach (od angielskiego quantum bit – bit kwantowy). Kubit to jednostka inna niż te, do których jako użytkownicy komputerów klasycznych jesteśmy przyzwyczajeni. Od zwykłego bitu różni się tym, że nie ma on ustalonej wartości 0 lub 1, ale zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej znajduje się w stanie pośrednim, nazywanym superpozycją, pomiędzy zerem i jedynką. Zamiast wyboru miedzy 1 a 0, występuje prawdopodobieństwo przebywania w stanie 0 lub 1. Dopiero podczas pomiaru kubit może przyjąć jedną z tych dwóch wartości.

W znanych nam do tej pory układach scalonych temu układowi binarnemu odpowiadają dwa rodzaje wartości napięcia na tranzystorach. W modelu kwantowym zamiast dwóch możliwości pojawiają się skomplikowane połączenia, zwane splątaniami. Zamiast albo zerem, albo jedynką, kubit jest jednocześnie zerem lub jedynką. Dwa kubity to już cztery splątane ze sobą wartości (00, 01, 10, 11), trzy kubity – osiem (000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111) i tak dalej. Stanów tych nie można traktować jako niezależnych, dlatego mówi się o nich, że są ze sobą splątane.

Dzięki splątaniu kubitów komputer kwantowy może wykonywać obliczenia na wszystkich wartościach jednocześnie, w przeciwieństwie do tradycyjnego komputera, który realizuje operacje w określonej kolejności – jedna za drugą.

To oznacza możliwość zapisania ogromnej ilości informacji i potężną moc obliczeniową komputera kwantowego. Ten proces dzieje się szybciej niż prędkość światła. To fenomen kwantowy.

Komputery kwantowe. Możliwości obliczeniowe

Piotr Biskupski, Technical Leader na region Europę Środkowo-Wschodnią w obszarze File & Object Storage w IBM Systems oraz ambasador marki IBM Q, podkreśla, że możliwości obliczeniowe komputera kwantowego są niewiarygodne. Przekraczają granicę, poza którą nie mogą wyjść komputery klasyczne. Te są doskonałe, jeśli chodzi o procesy takie jak mnożenie, dodawanie, obróbka słów. Jednak są takie obszary, w których dotychczas wypracowana technologia jest bezradna, albo nakład czasu potrzebnego do przeliczenia jest nieproporcjonalny do osiąganego celu. Komputery kwantowe potrafią w kilka sekund wykonać obliczenia, które komputerowi klasycznemu mogą zająć np. kilka lat. Ta technologia pozwoli na błyskawiczne wyszukiwanie potrzebnych informacji w ogromnych ilościach danych.

Dziś nie jest to jeszcze problemem, ale lawinowy przyrost danych będzie wpływał na skuteczność znalezienia odpowiednich informacji w krótkim czasie. W roku 1992 na świecie powstawało 100 GB danych dziennie, w 1997 r. – 100 GB na godzinę, w 2002 r. – 100 GB na sekundę, a według danych IDC w 2018 ludzkość miała wygenerować 50 000 GB danych na sekundę. Dzięki komputerom kwantowym możliwe stanie się szybkie łamanie kluczy kryptograficznych. Ważniejsze jednak wydaje się to, że nowa technologia pozwoli w świecie naukowym przeprowadzać najbardziej skomplikowane symulacje. Według Biskupskiego komputery kwantowe pozwolą na rozwiązywanie problemów obliczeniowych, które będą wykorzystywały takie zasoby jak pamięć, przestrzeń i czas.

Komputery kwantowe. Przetwarzanie kwantowe w chmurze

Hanhee Paik i Sarah Sheldon, naukowcy z IBM Q Lab, sprawdzają system kwantowy IBM Q przed włożeniem do komory chłodniczej. Zdjęcie wykonano w należącym do IBM ośrodku T. J. Watson Research Center w Yorktown.

Hanhee Paik i Sarah Sheldon, naukowcy z IBM Q Lab, sprawdzają system kwantowy IBM Q przed włożeniem do komory chłodniczej. Zdjęcie wykonano w należącym do IBM ośrodku T. J. Watson Research Center w Yorktown.

Czy komputery kwantowe odeślą w niepamięć dzisiejszą technologię? Nie – z kilku powodów. Przede wszystkim technologia kwantowa ma ograniczenia fizyczne. Przetwarzanie kwantowe rozpoczęło się już w 1981 roku, ale w dalszym ciągu nie ma sposobu na przeskoczenie bariery, jaką jest konieczność stworzenia bardzo specyficznych warunków, które pozwalają do minimum ograniczyć poziom błędów przetwarzania. Układy kwantowe muszą być przechowywane w izolowanym środowisku, w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu. Niewyobrażalny wprost wzrost wydajności okupiony jest skomplikowanym procesem zabezpieczania funkcjonowania systemu. Chociażby z tego powodu trudno sobie wyobrazić, by komputery kwantowe mogły pojawić się jako element technologiczny w przedsiębiorstwach.

Dlatego prace nad wykorzystaniem przetwarzania kwantowego zmierzają w innym kierunku – połączenia potężnych możliwości komputerów kwantowych z działaniem komputerów klasycznych. W tym kierunku zmierzają działania IBM, który tworzy system hybrydowy w oparciu o cloud computing, by przez chmurę udostępniać moc kwantową. Taki model „kubichmurowy” wydaje się być optymalnym rozwiązaniem dla przyszłych komercyjnych użytkowników technologii kwantowej.

Jak przy każdej nowej technologii, pojawiają się różnego rodzaju „spowalniacze” rozwoju. W tym przypadku jest nim niedostatek programistów kwantowych i ograniczona edukacja w tym zakresie. Wydaje się, że dobre rozwiązanie zaproponował w tej kwestii IBM, który stworzył Qiskit Aqua, otwartą bibliotekę programistyczną, by dać możliwość zainteresowanym programistom nauczyć się wykorzystywania komputerów kwantowych w trzech domenach – obliczeniach chemicznych, optymalizacji i sztucznej inteligencji. To już nie „zabawa” z technologią kwantową i poznawanie kubitów, ale konkretne działania. Te gotowe biblioteki programista, nawet bez znajomości komputera kwantowego czy fizyki kubitu, może zacząć niemalże od razu wykorzystywać.

Komputery kwantowe. Beneficjenci

Strategia IBM to dać „kubichmurę”, udostępnić biblioteki i włączyć do ekosystemu „Q” jak najwięcej podmiotów. Na razie większość odbiorców to uczelnie, gdzie nawet studenci, posiadając dostęp do technologii w chmurze, zaczynają eksperymentować i tworzyć algorytmy. Jest już blisko 80 tysięcy takich użytkowników. Jest też 80 naukowych publikacji, które mówią dokładnie o tym, w jaki sposób algorytmy mogą zostać zaimplementowane na IBM Qube. Jak zaznacza Piotr Biskupski, IBM angażuje się w tworzenie sieci organizacji, uniwersytetów czy specjalistów od komputerów kwantowych na całym świecie, wkładając wysiłek w edukację kwantową.

W Polsce taka współpraca została nawiązana na przykład z Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej Sopocie i Instytutem Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN w Gliwicach. Takie działania ze środowiskami akademickimi są potrzebne, ponieważ w ten sposób wykonuje się pracę u podstaw i buduje bazę specjalistów kwantowych.

Pytanie, którego nie można uniknąć, brzmi – kto na tym zarobi? Jakakolwiek inwestycja, również w wiedzę, musi w którymś momencie zacząć przynosić zyski. W przypadku twórców komputerów kwantowych i chmurowego kanału dystrybucji mocy obliczeniowej pieniądze pojawią się ze sprzedaży mocy kubitów, może też z wdrożeń rozwiązań kwantowych dla szyfrowania.

A co i kto będzie po drugiej stronie? Prace nad komercjalizacją technologii już trwają. Doskonałym środowiskiem, które skorzysta na możliwościach komputerów kwantowych jest bankowość i sektor finansowy. Działania tam robione są jeszcze we wczesnym stadium, ponieważ ta ilość kubitów, która jest na dziś osiągalna, nie daje jeszcze możliwości na przykład doskonałego symulowania zachowań giełdy (jak będą się zmieniały papiery wartościowe w czasie). Jednak instytucje bankowe już interesują się takimi projektami – chodzi o przygotowanie modelu pełnego wykorzystania technologii w momencie, gdy ta będzie już dostatecznie dojrzała. Współpracę z IBM podjęły już takie podmioty jak JP Morgan czy Barclays.

Do czego finansistom potrzebna jest technologia kwantowa? Dzięki niej możliwe będzie optymalizowanie portfela inwestycji za pomocą choćby o wiele doskonalszego procesu symulacji zachowań rynku finansowego metodą Monte Carlo. Banki poważnie podchodzą do szans, jakie w niedalekiej przyszłości da im komputer kwantowy. Dzięki wysokiej mocy obliczeniowej i możliwości wielopłaszczyznowej, jednoczesnej symulacji nieograniczonej liczby czynników, instytucje finansowe będą mogły minimalizować ryzyko inwestycyjne. W Barclays działa już wewnętrzna grupa robocza do spraw obliczeń kwantowych, która intensywnie pracuje z kubichmurą IBM.

Technologii kwantowej i możliwości skomplikowanych analiz przyglądają się też inne sektory gospodarki. Pierwsze kroki na tym polu postawił już Daimler, który wraz z IBM chce optymalizować zarządzanie ruchem swoich ciężarówek, czyli rozwiązać klasyczny problem komiwojażera – jak najrozsądniej (czytaj: najtaniej) przeprowadzić ruch pomiędzy punktami.

Kolejnym wielkim beneficjentem kwantów jest przemysł farmaceutyczny. Technologia pozwoli lepiej zrozumieć struktury chemiczne leków. Na tym polu są już pierwsze osiągnięcia.

Komputery kwantowe.Gdzie jesteśmy?

Firmy technologiczne: Microsoft, Google, Intel, Atos, IBM i inni, biorą udział w wyścigu, którego stawka jest wysoka. Szanse mają ci, którzy opracują kompletne rozwiązanie – komputer, connectivity, biblioteki programistyczne, wyedukowane środowisko programistyczne. Inaczej nie uda się przejść z niskopoziomowego rozumienia i fascynacji kubitem do możliwości jego wykorzystania.

Gdzie jesteśmy dziś? Według Piotra Biskupskiego stan wiedzy i prac nad technologia kwantową to odpowiednik lat 50-tych XX wieku w komputeryzacji klasycznej. Gdy budowano wówczas komputery, toczyły się zażarte dyskusje, czy bajt ma mieć 7 czy 8 bitów… Ale od czegoś trzeba było zacząć.