W ciągu ostatnich dziesięcioleci ludzkość dokonała niesamowitych odkryć w zakresie komputeryzacji, a jednym z nich jest niewątpliwie kwantowy komputer. Rozwój tych urządzeń jest przez wielu przedstawicieli świata naukowego postrzegany, jako kluczowy do wejścia na wyższy poziom technologiczny. Czy projekty wykorzystujące fizykę kwantową są rzeczywiście tak ważne? Jak działają takie urządzenia? Poznaj tajniki superkomputerów!
Komputer kwantowe — co to za urządzenie?
Niemal każdy współcześnie żyjący człowiek słyszał o ogromnych możliwościach, które drzemią w fizyce kwantowej. Dzięki niej rozwijają się ogniwa słoneczne, tranzystory, kryptografia i informatyka. Niewątpliwie jednym z gorętszych wynalazków możliwych do zbudowania dzięki mechanice kwantowej jest komputer. Co to są komputery kwantowe? Żeby to wyjaśnić, trzeba rozpocząć od wyjaśnienia kilku pojęć z zakresu fizyki kwantowej, czym zajmiemy się w dalszej części artykułu.
W tym momencie można jedynie w uproszczeniu powiedzieć, że komputer kwantowy jest rodzajem komputera o niewyobrażalnie większej wydajności, niż standardowe modele. Efekt ten uzyskuje się, dzięki zjawisku superpozycji, wykorzystywanej do wykonywania obliczeń wewnątrz urządzenia oraz przechowywania danych. Jak szybkie są komputery kwantowe? Tak szybkie, że potrafią w kilka godzin wykonać algorytm, który standardowy komputer wykonywałby kilkadziesiąt lat.
Jak działa komputer kwantowy?
Wiesz już w uproszczeniu, co to jest komputer kwantowy. Czas przejść do specyficznych zasad działania tego urządzenia. Opierają się one oczywiście na mechanice kwantowej, na podstawie której powstało wiele uznanych i szanowanych teorii naukowych, jak chociażby teoria względności. Zrozumienie podstaw tej nauki jest dość skomplikowane i nie ma szans na uzyskanie tego efektu z pomocą jednego artykułu. Do zrozumienia podstaw działania komputera kwantowego nie będzie to jednak potrzebne. Jak działa procesor kwantowy?
Rozpocznijmy od eksperymentu myślowego z kotem Schrödingera. Wszystko rozpoczyna się od umieszczenia hipotetycznego, żywego kota w pudełku, do którego zostanie wtłoczona trucizna. Stanie się tak, kiedy umieszczony w pudełku licznik promieniowania wykryje promieniowanie jonizujące z cząsteczki również znajdującej się w pudle. Szansa na wyemitowanie promieniowania wynosi 50%. Patrząc na pudło z zewnątrz można powiedzieć, że w danym momencie kot jest jednocześnie żywy i martwy, a przyjaźniej do czasu otwarcia pudła i dokonania obserwacji. Stan, kiedy kot jest w pudle, jednocześnie żywy i martwy, nazywamy superpozycją.
Dokładnie na niej opiera się komputer kwantowy. Inaczej mówiąc komputer kwantowy działa na zasadzie kubitów, czyli znajdować się w dowolnej superpozycji dwóch stanów kwantowych. Oznacza to, że w jednym momencie może on reprezentować więcej stanów, niż komputer oparty na bitach, mogących jednocześnie przyjąć tylko jedną wartość (0 lub 1). To sprawia, że wydajność kubitów rośnie wykładniczo, zapewniając niebywałą szybkość obliczeń.
Pierwszy komputer kwantowy
Pierwsze koncepcje komputerów kwantowych powstały w latach 80. XX wieku. Sformowany przez Davida Deutscha z Uniwersytetu Oksfordzkiego algorytm kwantowy. Jego praca początkowo nie wzbudziła jednak zbyt dużej sensacji. Stało się tak dopiero w 1994 roku, kiedy Peter Shor zaprezentował kwantowy algorytm do rozkładu liczb całkowitych na czynniki pierwsze. Był to przełomowy algorytm, który charakteryzował się niesamowitą wręcz szybkością rozwiązania problemu. Skąd jednak poruszenie świata naukowego? Wszystko za sprawą szyfrowania danych opartego o liczby pierwsze. W tamtym momencie zdano sobie sprawę, że komputer kwantowy byłby w stanie złamać każde współczesne zabezpieczenie w maksymalnie kilka godzin. Nie trzeba chyba mówić, jaką dawałoby to przewagę posiadaczowi tej technologii.
W obliczu tych faktów niczym dziwnym było duże zainteresowanie technologią. Tak duże, że już rok później udało się przeprowadzić pierwsze obliczenia atomowe, używając do tego atomów cezu. Niedługo potem, bo w 2001 roku firma IBM Almaden Rearch Center zaprezentowało szerszej publiczności 7-kubitowy komputer kwantowy. Kolejną firmą, która wykazała się na tym polu była D-Wave Systems. Jej przedstawiciele w 2007 roku pokazali światu 123-kubitowy komputer z rejestrem kwantowym.
Komputer kwantowy: moc obliczeniowa
Obecnie moc obliczeniowa procesorów komputerów kwantowych jest zbyt mała, aby mogły one stać się powszechniejsze. Za duży sukces uznaje się komputery z wydajnością 100 kubitów, a ten wypuszczony w 2019 roku przez Google miał ich 54. Jest to zdecydowanie niewiele w porównaniu z szacunkami, które zakładają optimum na poziomie miliona kubitów. To spora różnica i potrzeba jeszcze wielu badań, aby ją pokonać.
Takie zadanie postawili przed sobą specjaliści z Google, który do kończą 2029 chcą wypuścić komputer kwantowy z korekcją błędów o wydajności 1 000 000 kubitów. Czy podołają temu zadaniu? Na ten moment nie wiadomo, zwłaszcza że przed naukowcami maluje się wiele problemów. Jednym z nich jest konieczność umieszczenia w urządzeniu niezwykle efektywnego chłodzenia. Procesory kwantowe działają bowiem w temperaturze około zera absolutnego.
Komputer kwantowy: cena
Wiele osób zastanawia się, ile kosztuje komputer kwantowy. Niestety obecnie cena za komputery kwantowe jest wręcz niebotyczna i stać na nie jedynie gigantyczne koncerny i korporacje. Ile wynosi? Gigant na rynku informatycznym Google zapłacił firmie D-Wave aż 15 milionów dolarów za jedno urządzenie.
Za komputer z 50 kubitami trzeba zapłacić 10 milionów dolarów, a za taki z 2000 15 milionów. Każdy dodatkowy kubit to oczywiście dodatkowe koszty. Nie jest to więc inwestycja mogąca trafić do przeciętnego zjadacza chleba. Obecnie komputery kwantowe są w fazie rozwoju i są pożądane głównie przez ogromne firmy technologiczne.
Jaka czeka nas przyszłość? Czy w najbliższych latach takie maszyny pojawią się w domach indywidualnych użytkowników? Raczej nie, jednak skoki technologiczne już nie raz zadziwiły świat. Może tak będzie i w tym przypadku.
