Komputer kwantowy coraz bliżej

W 2019 roku komputer kwantowy Google wykonał obliczenie, które najszybszemu komputerowi na świecie zajęłoby ponad 10 tysięcy lat*, w mniej niż 4 minuty. To przedsmak maszyny, która ma potencjał do stworzenia superinteligentnej sztucznej inteligencji, zrewolucjonizowania farmakologii, oraz rozwiązania wielkich zagadek kosmosu – pierwszego w pełni funkcjonującego komputera kwantowego.

W 2012, fizyk teoretyczny John Preskill stworzył koncepcję supremacji kwantowej – wyższości komputerów kwantowych nad resztą. Określił to momentem, w którym komputery kwantowe będą potrafić rzeczy niemożliwe dla zwykłych komputerów.

7 lat później, jesienią 2019 roku, komputer kwantowy Google'a "Sycamore" osiągnął ten cel. W 200 sekund wykonał obliczenie tak trudne, że najszybszemu znanemu komputerowi – Summit firmy IBM– zajęłoby ono 10,000 lat*. Dokonanie to czyni Sycamore około 158,000,000 razy szybszym od Summit'a.

Komputer kwantowy wykorzystuje zasady mechaniki kwantowej, aby wykonywać obliczenia niepojmowalne przez ludzki umysł. Mechanika kwantowa to dział fizyki zajmujący się fotonami, elektronami i jądrami atomowymi – te najmniejsze znane nam budulce wszechświata zachowują się wbrew wszelkim prawom logiki. Na przykład; stany dwóch cząsteczek mogą być połączone, mimo że znajdują się daleko od siebie, a jedna cząstka może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie.

Naśladując złożone chemiczne i fizyczne procesy zachodzące w naturze na poziomie atomowym, komputer kwantowy może pomóc w opracowaniu nowych leków i wynalezieniu materiałów bezstratnie przewodzących elektryczność. To tylko przykłady.

Jednak aby rozpocząć nową złotą erę nauki, badacze muszą poradzić sobie z wieloma przeszkodami.

Kubity mogą znajdować się wszędzie na raz

Siła komputera kwantowego drzemie bitach kwantowych, w skrócie – kubity. W zwyczajnym komputerze, dane przechowywane są w bitach o wartości 0 lub 1. Cztery klasyczne bity razem tworzą 16 różnych kombinacji danych – (0000, 0001, 0010, etc.) – lecz zwyczajny komputer może pracować na tylko jednej takiej kombinacji jednocześnie.

Kubity za to mogą przyjmować obie wartości, 0 i 1, w tym samym czasie. W tym stanie, nazywanym superpozycją, komputer może pracować z wszystkimi 16 kombinacjami danych na raz. Z każdym dodanym kubitem moc obliczeniowa rośnie wykładniczo. Zdaniem badaczy, komputer kwantowy z 300 kubitami może wykonywać jednocześnie więcej obliczeń, niż jest atomów we wszechświecie.

0 i 1 pochodzą z systemu binarnego, na którym komputery opierają swoje obliczenia, od kiedy były tak duże, że wypełniały całe pomieszczenia i pracowały z lampami radiowymi zamiast tranzystorów.

Lecz aby system binarny w komputerze działał, potrzebuje on do tego czegoś fizycznego. To właśnie robi microchip komputera: posiada miliony maleńkich tranzystorów, które włączają i wyłączają w nim prąd. Im więcej microchip ma tranzystorów, tym więcej informacji jednocześnie może przetwarzać komputer.

Chipy kwantowe wymagają niezwykle niskiej temperatury do pracy

Sycamore i komputer kwantowy firmy IBM – IBM Q System One, również przetwarzają dane za pomocą microchipów. Jednak zamiast milionów tranzystorów wyrzucających zera i jedynki, mózg komputera kwantowego zawiera znacznie mniej kubitów. Układ Sycamore ma 53, a IBM Q System One 20.

Kubity są wykonane z niobu i sprasowane w chipie z krzemu, materiału, z którego wykonane są zwykłe chipy komputerowe. Poprzez oddzielenie dwóch elektrod niobowych cienką warstwą tlenku glinu powstaje tak zwane złącze Josephsona, przez które może nastąpić superpozycja mechaniki kwantowej. Złącze Josephsona jest możliwe tylko wtedy, gdy materiał jest nadprzewodnikiem, co oznacza, że nie ma oporu elektrycznego.

Jest to największe wyzwanie do pokonania przy opracowywaniu komputerów kwantowych do domu i biura.

Ponieważ właściwości mechaniki kwantowej występują tylko w najmniejszej skali, wystarczy najmniejsze zakłócenie obliczeń, aby były nieefektywne. Nawet jeden atom powietrza lub cząstki światła może zepchnąć wrażliwe kubity z kursu, powodując utratę ich superpozycji.

Dlatego chip kwantowy w laboratoriach IBM i Google znajduje się na dnie zamrażarki w dużej szafie z elementami wykonanymi ze złota i miedzi, które chłodzą chip do niemal zera absolutnego -273,15 ºC. Ta konstrukcja nazywa się kriostatem i jest tym, co pozwala naukowcom w ogóle wykonywać obliczenia na chipie kwantowym.
To wyjaśnia również, dlaczego do tej pory komputery kwantowe nie zawierały więcej kubitów. Im więcej mają kubitów, tym trudniej jest utrzymać je w superpozycji przez jakiś czas, ponieważ ryzyko zakłóceń elektrycznych z zewnątrz rośnie wykładniczo wraz z liczbą kubitów.

Ogromny przeskok w nauce

Lepsze leki, mądrzejsza sztuczna inteligencja i rozwiązanie wielkich kosmicznych zagadek. To tylko niektóre z osiągnięć naukowych, które komputer kwantowy może przynieść w przyszłości.

1. Eksperymenty medyczne to już przeszłość.
   Komputery kwantowe umożliwiają tworzenie, symulację i projektowanie struktur molekularnych aż do poziomu atomowego. Pozwala im to na przykład symulować działanie nowego leku — bez uprzedniego testowania na ludziach lub zwierzętach.
2. Nowe materiały ujrzą światło dzienne.
   W ślad za komputerem kwantowym pojawią się nowe materiały, które mogą ulepszyć telefon komórkowy i komputer, a także zwiększyć wydajność ogniw słonecznych i materiałów budowlanych. Badacze mają nadzieję, że technologia zapewni lepszy wgląd w materiały nadprzewodzące, które mogą transportować elektryczność bez utraty energii.
3. Rozwiązanie kosmicznych zagadek.
   Chociaż naukowcy wykonali pierwsze na świecie zdjęcie czarnej dziury w 2019 roku, wciąż niewiele wiemy o tych tajemniczych zjawiskach kosmicznych. Komputer kwantowy, który potrafi mierzyć i analizować najmniejsze składniki wszechświata, może rzucić nowe światło na czarne dziury.
4. Sztuczna inteligencja jeszcze inteligentniejsza.
   Sztuczna inteligencja opiera się na tzw. sieciach neuronowych – są to imitacje rozległej sieci komórek nerwowych w ludzkim mózgu, które, podobnie jak człowiek, muszą być najpierw przeszkolone. Jest to wymagający proces, który czasami zajmuje tygodnie. Dzięki sztucznie inteligentnym algorytmom kwantowym proces ten można prawdopodobnie skrócić do kilku sekund. Dzięki temu algorytmy będą mogły ewoluować znacznie szybciej i stać się „inteligentniejsze”.

Następny przełom

Pomimo wielkich postępów dokonanych w szczególności przez Google i IBM, przed nami wciąż daleka droga, zanim komputer kwantowy będzie mógł znaleźć się w naszych domach.

Gdybyśmy chcieli zainstalować komputer kwantowy w domu, wrażliwy procesor prawdopodobnie musiałby działać w temperaturze pokojowej. Co więcej, komputer kwantowy Google’a pokonał superkomputer przez rozwiązanie specjalnego, skomplikowanego obliczenia zaprojektowanego właśnie w tym celu. Następnym kamieniem milowym jest sprawienie, aby rozwiązywał on problemy mające realne znaczenie.

Aby to osiągnąć, komputer kwantowy musi być w stanie pracować jednocześnie z tysiącami, a może nawet milionami kubitów. To trudne, ponieważ struktura kubitów w komputerach kwantowych Google i IBM jest jak domek z kart, który grozi zawaleniem przy najmniejszej ingerencji z zewnątrz.

Być może trzeci gigant IT, Microsoft, znalazł rozwiązanie problemu. Za pomocą tak zwanego topologicznego obwodu bitów kwantowych, firma ta próbuje obejść delikatną strukturę komputera kwantowego. Projekt działa jak klocki Lego, łącząc kubity jak cegły w domu, co czyni komputer mniej wrażliwym.

Nie można przewidzieć, która firma dokona ostatecznego przełomu, jedno jest jednak pewne: wyścig o wydobycie komputera kwantowego z mroźnych laboratoriów i udowodnienie wartości tej technologii został rozpoczęty.

Komputery kwantowe, a zagrożenie dla kryptowalut

Realne zagrożenie, dla obecnej postaci sieci Bitcoin, komputery kwantowe stanowiłyby przy osiągnięciu poziomu powyżej 10 milionów kubitów. Obecnie to mało realne, choć niektórzy zakładają, że taki poziom moglibyśmy osiągnąć już w 2030 roku.