Wyższy poziom multitaskingu

Co jakiś czas w mediach pojawia się temat komputerów kwantowych, które owiewa już pewien mistycyzm. ­
Czy rzeczywiście zwiastują przełom na miarę rewolucji przemysłowej?

Pomysł stworzenia komputera kwantowego jako pierwszy wysunął amerykański fizyk teoretyczny Richard Feynman w słynnym wykładzie There’s Plenty Of Room At The Bottom, który wygłosił 29 grudnia 1959 r. Zasugerował wówczas możliwość wykorzystania efektów kwantowych do obliczeń. 21 lat później Paul Benioff opisał teoretyczny kwantowy model Maszyny Turinga, której praktyczną realizacją jest komputer. Od tego czasu trwają prace nad zamienieniem abstrakcji w rzeczywistość.

W kilku miejscach jednocześnie

Obecnie używane przez nas wszystkich komputery oparte są na procesorach krzemowych i działają na podstawowych jednostkach danych zwanych bitami. Bity przyjmują wartości 0 lub 1, w zależności od dokonywanych przez urządzenie obliczeń. Na przykład 4-bitowy komputer może w danym momencie operować na jednej z szesnastu możliwych kombinacji zer i jedynek, które reprezentują liczby zapisane w systemie binarnym. Komputer kwantowy korzysta natomiast z kubitów, które pokrywają całe spektrum stanów pośrednich między 0 a 1 ‒ stan ten nazywany jest kwantową superpozycją zera i jedynki. W uproszczeniu można napisać, że kubit jest jednocześnie „trochę” 0, a „trochę” 1 – a to, jak bardzo jest jednym, a jak bardzo drugim, jest określane poprzez rachunek prawdopodobieństwa. W efekcie pojedynczy wynik obliczeń na komputerze kwantowym jest bardzo niepewny i dopiero średnia całej serii działań pozwala określić rezultat z dużą dokładnością. Mimo to umiejętność kubitów do wchodzenia w stan superpozycji stanowi o ogromnej przewadze komputerów kwantowych nad tymi tradycyjnymi – są one w stanie wykonywać wszystkie zadane obliczenia jednocześnie. 4-kubitowy komputer może w jednej chwili operować na wszystkich szesnastu kombinacjach 0 i 1, a nie tylko jednej, jak jego bitowy odpowiednik. W przybliżeniu można więc powiedzieć, że jest od niego 16 razy szybszy. Dodatkowo każdy kolejny kubit zwiększa moc komputera wykładniczo, więc 8-kubitowa jednostka będzie 64 razy szybsza, a 16-kubitowa już aż 256 razy!

Nie tak kolorowo

Pozornie możliwości komputerów kwantowych wyglądają na daleko przewyższające te, które mają obecnie używane maszyny. Jednakże inżynierowie muszą rozwiązać jeszcze wiele problemów natury technicznej, by móc w pełni cieszyć się ich potencjałem. Największym z nich jest utrzymanie stabilności procesorów kwantowych – pod wpływem oddziaływania czynników zewnętrznych dochodzi do dekoherencji obiektów kwantowych. Polega ona na tym, że układ kubitów przestaje być w stanie superpozycji i przybiera jeden ze stanów stacjonarnych, czyli takich, w których każdy z kubitów ma przypisaną wartość 1 lub 0, zamiast jednoczesnego posiadania obu informacji. W związku z tym problemem obecne procesory kwantowe muszą działać w bardzo niskich temperaturach, wynoszących około 0,02 stopnia Kelvina. Wymusza to zastosowanie ogromnej aparatury chłodzącej znacznie zwiększającej gabaryty urządzenia, przez co wyglądają one bardziej jak wielkie szafy przypominające obecnie wykorzystywane superkomputery niż jak to, co mamy pod biurkiem.
Kolejnym wyzwaniem jest stworzenie algorytmów odpowiadających specyfice pracy procesorów kwantowych – muszą one korzystać z bardzo nieintuicyjnych efektów mechaniki kwantowej, a także bazować na rozkładzie prawdopodobieństwa oraz jego ewolucji w czasie. Znacznie komplikuje to proces projektowania skryptów wykorzystujących potencjał urządzeń kwantowych, przez co powstało ich zaledwie kilkanaście. Wśród nich największe emocje budzą algorytm Shora, służący do rozkładu liczb na czynniki pierwsze, oraz algorytm Groovera, dzięki któremu można sprawnie przeszukiwać duże bazy danych. Jednakże po przezwyciężeniu wspomnianych trudności komputery kwantowe będą w stanie zapewnić rozwiązywanie problemów w czasie nieosiągalnym dla zwykłych krzemowych jednostek.

Kwanty dla wszystkich

Mimo powstania już na początku lat 80. modeli teoretycznych, dopiero po 2000 r. tempo zmian zaczęło przyspieszać. W 2005 r. powstała firma D-Wave, której celem były prace nad komputerami kwantowymi. Już dwa lata później opracowała ona 16-kubitowy procesor Europa, a po czterech kolejnych sprzedała koncernowi Lockheed-Martin system oparty na 128-kubitowym procesorze Rainier. W następnych latach z konstrukcji D-Wave’u skorzystały takie przedsiębiorstwa, jak Google i NASA – duże zainteresowanie tych firm technologią kwantową wynika z typu zadań, jakie stawiają swoim maszynom. Chodzi głównie o działania na dużych liczbach i przeszukiwanie ogromnych baz danych – w tym kwantowe jednostki są dużo efektywniejsze nawet od superkomputerów.
Inną firmą zajmującą się komputerami kwantowymi jest IBM. W przeciwieństwie do D-Wave’u kieruje on swoje wysiłki bardziej ku polepszeniu stabilności konstrukcji niż ku zwiększaniu mocy obliczeniowej. W styczniu tego roku zaprezentowała 20-kubitowy komputer Q System One, którego zintegrowana konstrukcja ma umożliwić pracę poza sterylnym środowiskiem laboratoryjnym. Na razie nie można go kupić, ale wraz z jego premierą IBM zaprosił do współpracy firmy i instytucje w ramach komercyjnego projektu IBM Q Network. Jego celem jest stworzenie skalowalnych konstrukcji kwantowych dla biznesu i nauki. Już teraz każdy zainteresowany może przetestować 5-kubitowy komputer poprzez stronę IBM.

Po kwantach do leku na raka

Komputery kwantowe to niewątpliwie przyszłość rozwoju informatyki. W pełni swojego potencjału pomogą w dokonaniu wielu przełomowych odkryć, gdyż będą w stanie wykonywać przydzielone im zadania wielokrotnie szybciej niż obecnie używane superkomputery. Dzięki swojej naturze i ogromnej mocy obliczeniowej świetnie sprawdzą się w chemii i fizyce teoretycznej, pomogą w wynalezieniu wielu nowych leków oraz zwiększą efektywność wszelkiego rodzaju rozwiązań technologicznych. To głównie poprzez ten pośredni wpływ na rzeczywistość odcisną swoje piętno na życiu każdego z nas. Raczej nie ma co liczyć, że postawimy komputer kwantowy na biurku, chociaż przy odpowiednim rozwoju usług opartych o przechowywanie danych w chmurze, gdzie ich moc będzie udostępniana zdalnie, nie będzie nam to w niczym przeszkadzało. 

No votes yet.
Please wait...