Obliczenia kwantowe: Definicja, zastosowanie i przykłady

Zdjęcie: GeekWire Photo / Alan Boyle

Teoria kwantowa wyjaśnia zachowanie energii i materiałów na poziomie atomowym i subatomowym. Obliczenia kwantowe wykorzystują cząstki subatomowe, takie jak elektrony lub fotony. Bity kwantowe lub kubity pozwalają tym cząstkom istnieć w więcej niż jednym stanie (tj. 1 i 0) w tym samym czasie. Teoretycznie, połączone kubity mogą „wykorzystywać interferencję między ich falowymi stanami kwantowymi do wykonywania obliczeń, które w przeciwnym razie mogłyby zająć miliony lat”. Dzisiejsze klasyczne komputery wykorzystują strumień impulsów elektrycznych (1 i 0) w sposób binarny do kodowania informacji w bitach. Ogranicza to ich możliwości przetwarzania w porównaniu do obliczeń kwantowych. 

Zrozumienie obliczeń kwantowych
Dziedzina obliczeń kwantowych pojawiła się w latach 80. ubiegłego wieku. Odkryto, że niektóre problemy obliczeniowe mogą być rozwiązywane bardziej efektywnie za pomocą algorytmów kwantowych niż ich klasycznych odpowiedników. Obliczenia kwantowe mają zdolność do przesiewania ogromnej liczby możliwości i wydobywania potencjalnych rozwiązań złożonych problemów i wyzwań. Podczas gdy klasyczne komputery przechowują informacje w postaci bitów zawierających 0 lub 1, komputery kwantowe wykorzystują kubity. Kubity przenoszą informacje w stanie kwantowym, który łączy 0 i 1 w wielowymiarowy sposób. Tak ogromny potencjał obliczeniowy i przewidywana wielkość rynku dla jego wykorzystania przyciągnęły uwagę niektórych z najbardziej znanych firm. Należą do nich IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen i Amgen.

Zastosowania i korzyści obliczeń kwantowych
Obliczenia kwantowe mogą w znacznym stopniu przyczynić się do poprawy w dziedzinach bezpieczeństwa, finansów, wojskowości i wywiadu, projektowania i odkrywania leków, projektowania dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, użyteczności publicznej (fuzja jądrowa), projektowania polimerów, uczenia maszynowego, sztucznej inteligencji (AI), wyszukiwania Big Data i produkcji cyfrowej. Komputery kwantowe można wykorzystać do poprawy bezpiecznego udostępniania informacji. Lub do ulepszenia radarów i ich zdolności do wykrywania pocisków i samolotów. Innym obszarem, w którym komputery kwantowe mają pomóc, jest środowisko i utrzymanie czystości wody za pomocą czujników chemicznych. Oto kilka potencjalnych korzyści płynących z obliczeń kwantowych:
Instytucje finansowe mogą być w stanie wykorzystać obliczenia kwantowe do projektowania bardziej skutecznych i wydajnych portfolio inwestycyjnych dla klientów detalicznych i instytucjonalnych. Mogłyby one skupić się na tworzeniu lepszych symulatorów handlowych i poprawie wykrywania oszustw. Branża opieki zdrowotnej mogłaby wykorzystać obliczenia kwantowe do opracowywania nowych leków i genetycznie ukierunkowanej opieki medycznej. Mogłyby one również zasilać bardziej zaawansowane badania nad DNA. W celu zwiększenia bezpieczeństwa w Internecie, obliczenia kwantowe mogą pomóc w zaprojektowaniu lepszego szyfrowania danych i sposobów wykorzystania sygnałów świetlnych do wykrywania intruzów w systemie. Obliczenia kwantowe mogą być wykorzystywane do projektowania bardziej wydajnych, bezpieczniejszych samolotów i systemów planowania ruchu. 

Cechy obliczeń kwantowych
Superpozycja i splątanie to dwie cechy fizyki kwantowej, na których opierają się obliczenia kwantowe. Umożliwiają one komputerom kwantowym wykonywanie operacji z prędkościami wykładniczo wyższymi niż w przypadku konwencjonalnych komputerów i przy znacznie mniejszym zużyciu energii.
Superpozycja - Według IBM to, co może zrobić kubit, a nie to, czym jest, jest niezwykłe. Kubit umieszcza zawartą w nim informację kwantową w stanie superpozycji. Odnosi się to do kombinacji wszystkich możliwych konfiguracji kubitu. „Grupy kubitów w superpozycji mogą tworzyć złożone, wielowymiarowe przestrzenie obliczeniowe. Złożone problemy mogą być reprezentowane w tych przestrzeniach na nowe sposoby”.
Splątanie - jest integralną częścią kwantowej mocy obliczeniowej. Pary kubitów mogą zostać splątane. Oznacza to, że dwa kubity istnieją wówczas w jednym stanie. W takim stanie zmiana jednego kubitu bezpośrednio wpływa na drugi w przewidywalny sposób. Algorytmy kwantowe zostały zaprojektowane tak, by wykorzystywać tę zależność do rozwiązywania złożonych problemów. Podczas gdy podwojenie liczby bitów w klasycznym komputerze podwaja jego moc obliczeniową, dodanie kubitów skutkuje wykładniczym wzrostem mocy obliczeniowej i możliwości.
Dekoherencja - występuje, gdy kwantowe zachowanie kubitów zanika. Stan kwantowy może zostać natychmiast zakłócony przez wibracje lub zmiany temperatury. Może to spowodować wypadnięcie kubitów z superpozycji i pojawienie się błędów w obliczeniach. Ważne jest, aby kubity były chronione przed takimi zakłóceniami, na przykład przez przechłodzone lodówki, izolację i komory próżniowe. 

Ograniczenia obliczeń kwantowych
obliczenia kwantowe oferują ogromny potencjał rozwoju i rozwiązywania problemów w wielu branżach. Jednak obecnie ma ona swoje ograniczenia. 
Dekoherencja, lub rozpad, może być spowodowana przez najmniejsze zakłócenie w środowisku kubitów. Powoduje to załamanie obliczeń lub błędy w nich. Jak wspomniano powyżej, komputer kwantowy musi być chroniony przed wszelkimi zewnętrznymi zakłóceniami podczas etapu obliczeniowego.
Korekcja błędów na etapie obliczeniowym nie została jeszcze dopracowana. To sprawia, że obliczenia są potencjalnie niewiarygodne. Ponieważ kubity nie są cyfrowymi bitami danych, nie mogą korzystać z konwencjonalnych rozwiązań korekcji błędów stosowanych w klasycznych komputerach.
Pobieranie wyników obliczeń może uszkodzić dane. Obiecujące są jednak rozwiązania, takie jak algorytm przeszukiwania bazy danych, który gwarantuje, że pomiar spowoduje dekoherezję stanu kwantowego do prawidłowej odpowiedzi.
Bezpieczeństwo i kryptografia kwantowa nie są jeszcze w pełni rozwinięte.
Brak kubitów uniemożliwia komputerom kwantowym wykorzystanie ich potencjału. Naukowcy muszą jeszcze wyprodukować więcej niż 128.
Według globalnego lidera energetycznego Iberdola, „komputery kwantowe muszą mieć prawie zerowe ciśnienie atmosferyczne, temperaturę otoczenia bliską zeru absolutnemu (-273°C) i izolację od ziemskiego pola magnetycznego, aby zapobiec przemieszczaniu się atomów, zderzaniu się ich ze sobą lub interakcji z otoczeniem”. „Ponadto systemy te działają tylko przez bardzo krótkie okresy czasu, więc informacje ulegają uszkodzeniu i nie mogą być przechowywane, co jeszcze bardziej utrudnia odzyskanie danych”. 

Komputer kwantowy, a klasyczny komputer
Komputery kwantowe mają bardziej podstawową strukturę niż komputery klasyczne. Nie mają pamięci ani procesora. Wszystko, czego używa komputer kwantowy, to zestaw nadprzewodzących kubitów. Komputery kwantowe i klasyczne przetwarzają informacje w różny sposób. Komputer kwantowy wykorzystuje kubity do przetwarzania wielowymiarowych algorytmów kwantowych. Ich moc obliczeniowa rośnie wykładniczo w miarę dodawania kubitów. Klasyczny procesor wykorzystuje bity do obsługi różnych programów. Ich moc wzrasta liniowo wraz z dodawaniem kolejnych bitów. Klasyczne komputery mają znacznie mniejszą moc obliczeniową. Komputery klasyczne są najlepsze do codziennych zadań i mają niski poziom błędów. Komputery kwantowe są idealne do zadań na wyższym poziomie, np. przeprowadzania symulacji, analizowania danych (np. do badań chemicznych lub leków), tworzenia energooszczędnych baterii. Mogą one również charakteryzować się wysokim poziomem błędów. Klasyczne komputery nie wymagają specjalnej opieki. Mogą korzystać z podstawowego wewnętrznego wentylatora, aby zapobiec przegrzaniu. Procesory kwantowe muszą być chronione przed najmniejszymi wibracjami i muszą być utrzymywane w bardzo niskiej temperaturze. W tym celu należy stosować schłodzone nadciecze. Komputery kwantowe są droższe i trudniejsze w budowie niż komputery klasyczne. 

Komputery kwantowe w trakcie rozwoju
Google - wydaje miliardy dolarów na zbudowanie komputera kwantowego do 2029 roku. Firma otworzyła kampus w Kalifornii o nazwie Google AI, aby pomóc jej osiągnąć ten cel. Po opracowaniu, Google może uruchomić usługę obliczeń kwantowych za pośrednictwem chmury.
IBM - planuje uruchomić komputer kwantowy o pojemności 1000 kubitów do 2023 roku. Na razie IBM umożliwia dostęp do swoich maszyn tym organizacjom badawczym, uniwersytetom i laboratoriom, które są częścią jego sieci kwantowej.
Microsoft - oferuje firmom dostęp do technologii kwantowej za pośrednictwem platformy Azure Quantum.
Inni - obliczeniami kwantowymi i ich technologią zainteresowane są firmy świadczące usługi finansowe, takie jak JPMorgan Chase i Visa.

Czym są obliczenia kwantowe w najprostszych słowach?
Obliczenia kwantowe odnoszą się do obliczeń wykonywanych przez komputer kwantowy. W porównaniu do tradycyjnych obliczeń wykonywanych przez klasyczny komputer, komputer kwantowy powinien być w stanie przechowywać znacznie więcej informacji i działać z bardziej wydajnymi algorytmami. Przekłada się to na szybsze rozwiązywanie niezwykle złożonych zadań. 

Jak trudno jest zbudować komputer kwantowy?
Budowa komputera kwantowego zajmuje dużo czasu i jest niezwykle kosztowna. Google od lat pracuje nad budową komputera kwantowego i wydało na ten cel miliardy dolarów. Przewiduje, że komputer kwantowy będzie gotowy do 2029 roku. IBM ma nadzieję, że komputer kwantowy o pojemności 1000 kubitów będzie gotowy do 2023 roku.

Ile kosztuje komputer kwantowy?
Budowa komputera kwantowego kosztuje miliardy. Jednakże chińska firma Shenzhen SpinQ Technology planuje sprzedawać konsumentom stacjonarny komputer kwantowy o wartości 5000 dolarów dla szkół i uczelni. W zeszłym roku firma rozpoczęła sprzedaż komputera kwantowego za 50 000 dolarów. 

Jak szybki jest komputer kwantowy?
Komputer kwantowy jest wielokrotnie szybszy niż klasyczny komputer lub superkomputer. Mówi się, że opracowywany przez Google komputer kwantowy Sycamore wykonał obliczenia w 200 sekund, w porównaniu do 10 000 lat, które zajęłoby rozwiązanie jednego z najszybszych komputerów na świecie, IBM Summit. IBM zakwestionował twierdzenie Google, mówiąc, że jego superkomputer może rozwiązać obliczenia w 2,5 dnia. Mimo to jest on 1000 razy wolniejszy od maszyny kwantowej Google.

Podsumowanie
Obliczenia kwantowe bardzo różnią się od obliczeń klasycznych. Wykorzystują one kubity, które mogą mieć wartość 1 lub 0 w tym samym czasie. Klasyczne komputery używają bitów, które mogą mieć tylko wartość 1 lub 0. W rezultacie obliczenia kwantowe są znacznie szybsze i potężniejsze. Oczekuje się, że będą one wykorzystywane do rozwiązywania różnych niezwykle złożonych, wartościowych zadań. Choć obecnie ma ona swoje ograniczenia, jest gotowa do wykorzystania przez wiele firm o dużej mocy w niezliczonych branżach.