Komputer kwantowy będzie mógł wykonać w kilkanaście sekund obliczenia, które obecnie używanym komputerom zajęłyby setki tysięcy lat.

Komputer kwantowy staje się powoli Świętym Graalem nowoczesnych technologii informatycznych. Podobno jest możliwe jego stworzenie, ale na razie to się nie udaje. A pracują nad nim setki firm. Co to w ogóle jest komputer kwantowy i dlaczego może być rewolucyjną technologią?

 

Kubit, czyli zero i jedynka w jednym

Najprościej mówiąc, komputer kwantowy to taki komputer, który wykorzystuje w swoim działaniu mechanikę kwantową. W tej maszynie dane są reprezentowane przez stan kwantowy, który jest stanem pośrednim, a nie przez zera i jedynki, tak jak w systemie binarnym, na którym oparte są normalne komputery.

Tradycyjne komputery oparte na systemie binarnym mają układy scalone rozróżniające dwie wartości napięcia, odpowiadające zerom i jedynkom (bitom). Cały proces obliczeniowy polega zaś na takiej zmianie stanami tranzystorów, by otrzymać odpowiednią liczbę. Program komputerowy to po prostu zestaw zasad dokonywania obliczeń w tym systemie.

Tymczasem w komputerze kwantowym system jest oparty na kubitach (quantum bit), które… nie mają ustalonej wartości. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, znajdują się bowiem cały czas w stanie pośrednim (zwanym superpozycją). Kubity mogą więc przyjmować różną wartość. Ta ich cecha powoduje, że obliczenia dokonywane przy pomocy komputerów kwantowych mogą być o wiele szybsze i zakresowo większe, niż w przypadku tradycyjnych komputerów.

Dlaczego tak może być? To proste. Skoro jeden kubit może stanowić 0 lub 1, to dwa kubity reprezentują już cztery wartości (00, 01, 10, 11), a nie dwie, jak w przypadku dwóch bitów (01, 10). Trzy kubity to już osiem wartości (000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111) i tak dalej.

Co więcej, kubity mają taką cechę, że są ze sobą splątane. To oznacza, że komputer kwantowy jest w stanie wykonywać obliczenia na wszystkich wartościach jednocześnie. Tradycyjny komputer musi liczyć w określonej kolejności. Czyli wykonywanie obliczeń w systemie kwantowym daje możliwość wielokrotnego przyspieszenia pracy. To, co naszym obecnym komputerom zajęłoby setki tysięcy lat, komputerowi kwantowemu może zająć kilkanaście sekund!

Komputer kwantowy okiełzna niepewność

W bardzo przystępny sposób istotę komputera kwantowego objaśniła kilka lat temu podczas występu w ramach TED Talks prof. Shohini Ghose, astrofizyk z Wilfrid Laurier University, wiceprezydent Kanadyjskiego Stowarzyszenia Fizyków.

– Fizyka kwantowa opisuje zachowanie atomów oraz podstawowych cząstek, takich jak elektrony i fotony. Komputer kwantowy kontroluje zachowanie tych cząstek, ale zupełnie inaczej niż zwykłe komputery. Komputer kwantowy nie jest tylko zaawansowaną wersją obecnych komputerów, tak jak żarówka nie jest jedynie silniejszą świecą. Nie można zbudować żarówki przez tworzenie coraz lepszych świec. Żarówka to inna technologia, oparta na głębszym rozumieniu naukowym. Podobnie komputer kwantowy jest nowym typem urządzenia, opartym na fizyce kwantowej, i tak, jak żarówka zmieniła społeczeństwo, komputery kwantowe mają potencjał  wpłynąć na wiele aspektów naszego życia, w tym potrzeby bezpieczeństwa, służbę zdrowia, a nawet internet – stwierdziła Ghose.

Według prof. Ghose najważniejszą właściwością komputera kwantowego jest okiełznanie niepewności. Ta właściwość pozwala na rewolucyjne zastosowania komputerów kwantowych. Prof. Ghose wymienia trzy przykładowe zastosowania.

  1. Kwantowej niepewności można użyć do wykonania prywatnych kluczy przy szyfrowaniu wysyłanych wiadomości, żeby hakerzy nie mogli skopiować klucza dzięki niepewności kwantowej (musieliby złamać prawa fizyki kwantowej, by zhakować klucz).
  2. Komputer kwantowy mógłby przeprowadzać skomplikowane symulacje, np. wykorzystywane do rozwoju leków.
  3. Teleportacja informacji z miejsca na miejsce, bez fizycznego jej przesyłania. Może to być częścią kwantowego internetu przyszłości.

Co ciekawe, specjaliści uważają, że potężne komputery kwantowe – gdy już powstaną ich dopracowane wersje – będą używane w pewnych specyficznych celach. Raczej na pewno nie trafią pod strzechy. Ewentualnie będzie można wykupić dostęp do takiego komputera, by skorzystać z jego potężnej, nie mieszczącej się w głowie, mocy obliczeniowej.

 

Komputer kwantowy i kubity – pierwsze próby

Zbudowanie komputera kwantowego nie jest łatwe. Trzeba do tego wykorzystywać wiele zjawisk, takich jak: zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego NMR (Nuclear Magnetic Resonance), polaryzacja światła, pułapki jonowe, nadprzewodzące złącza Josephsona, nadprzewodniki, kropki kwantowe, kondensat Bosego-Einsteina czy stany energetyczne elektronów na powłokach walencyjnych.

Pierwszy prototyp komputera kwantowego powstał w 1996 roku. Został on opracowany przez Neila Gershenfelda, Isaaca L. Chuanga oraz Marka Kubineca. Maszyna działała na bazie probówki zawierającej 1020 cząsteczek chloroformu CHCl3, umieszczonej w polu magnetycznym. Była programowana przy pomocy fal radiowych.

W 2009 roku powstał pierwszy optyczny komputer kwantowy korzystający z czterech kubitów. Skonstruowali go dwaj doktoranci z Centrum Fotoniki Kwantowej na Uniwersytecie Bristolskim, Alberto Politi i Jonathan Matthews. W tym samym roku powstał też pierwszy elektroniczny procesor kwantowy pracujący z dwoma kubitami, z których każdy składał się z około 1 mld atomów aluminium – był „dzieckiem” zespołu naukowców z  Uniwersytetu Yale.

Na targach technologicznych CES 2019 w Las Vegas firma IBM zaprezentowała swój komputer kwantowy – Q System One. Posiada on jednostkę obliczeniową o wciąż mocy 20 kubitów. Można kupować dostęp do jego mocy obliczeniowej.

 

Idea komputera kwantowego zrodziła się w głowie Paula Benioffa z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych na początku lat 80-tych XX wieku. Teoretyczny model przekształcenia systemu kwantowego w klasyczny model komputerowy stworzył legendarny profesor fizyki, laureat nagrody Nobla Richard Feynman.