Komputery kwantowe przyszłością informatyki? Część 1.

Dzisiejsze superkomputery dysponują ogromną mocą obliczeniową i kosztują miliardy dolarów. Zajmują się wykonywaniem bardzo skomplikowanych obliczeń czy złożonych fizycznych lub biochemicznych symulacji, takich jak np. badanie zmian klimatu, aerodynamiki samolotów oraz starzenia broni jądrowej.

Od 8 lipca 2018 roku najszybszym (a także trzecim na świecie pod względem energooszczędności) superkomputerem jest Summit, opracowany przez IBM do użytku w Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Jednak od wielu lat trwają prace nad innym rodzajem maszyny, mającym stać się przyszłością informatyki. W 1943 roku, ówczesny szef IBM, Thomas Watson twierdził, że na świecie będzie zapotrzebowanie może na pięć komputerów. Jak świetnie zdajemy sobie sprawę, jego przewidywania się nie sprawdziły. Jednakże w jego słowach może tkwić trochę prawdy. Dzisiaj największe globalne firmy technologiczne, w tym Google, IBM oraz Microsoft, opracowują nowy rodzaj komputera, znacznie potężniejszy niż obecne, i tak już niesamowicie mocne superkomputery. Mianowicie chodzi tu o komputery kwantowe. W wydanej 17 lat temu książce "Na skróty przez czas", George Johnson napisał:

Obliczenia kwantowe zrewolucjonizują technikę obliczeniową w takim stopniu, jak wyzwolenie energii jądrowej odmieniło oblicze energetyki i zbrojeń.

Google dokonuje przełomu

Pod koniec zeszłego roku Google podzieliło się ze światem osiągnięciem dokonanym przez komputer kwantowy, zwany Sycamore. Urządzenie to wykonało pewne obliczenia w nieco ponad 3 minuty (dokładnie w 200 sekund), które superkomputerowi Summit zajęłyby koło 10 tysięcy lat! Warto wspomnieć, iż naukowcy z konkurencyjnego IBM także odnieśli się do tej sytuacji, mówiąc, że mimo iż nie była to wielka przewaga, to i tak takie rozwiązania wpisują się w ramy przyszłości informatyki.

Jak to działa?

W tym miejscu nasuwa się pytanie, co tak naprawdę sprawia, że komputery kwantowe będą tworzyć ową przyszłość i dlaczego nadają się lepiej niż dzisiejsze superkomputery?

Otóż zwykłe komputery zapisują informacje w bitach, czyli ciągach zer i jedynek. Natomiast komputery kwantowe posiadają kubity (lub inaczej bity kwantowe), które przyjmują tzw. superpozycję. Jest to jednoczesne reprezentowanie zera i jedynki, co zawiera wszystkie stany pośrednie. Na tym polega właśnie znaczna przewaga nad zwykłymi komputerami. Dwa klasyczne bity przechowują maksymalnie jedną z czterech możliwych wartości, podczas gdy dwa kubity są w stanie pomieścić cztery wartości. Przy 8 kubitach mówimy już o 64, przy 16 – o 256, a przy 32 – o 1024. Siła kwantowego komputera polega na tym, że kubit może być częściowo w każdej z tych kombinacji przypisując jej pewną liczbę zespoloną. To jest też jednocześnie duża wada, bowiem za sprawą wspomnianej superpozycji jeden kubit reprezentuje sobą nieporównywalnie więcej informacji niż bit z klasycznego komputera i zostaje on wykorzystany do wielu równoległych wyliczeń w jednym wyliczeniowym cyklu. Oznacza to, że operacja na kubitach zaoferuje nam wiele różniących się od siebie w niemal losowy sposób wyników, a ten najbardziej prawdopodobny wyłoni dopiero seria tych samych obliczeń.

Na korzyść komputerów kwantowych przemawia także sposób sterowania nimi. Odbywa się to zdalnie, za pośrednictwem internetu, co umożliwia korzystanie z nich z dowolnego miejsca na ziemi, bez konieczności podróżowania do instytutów i centrów badań.

W części 2. artykułu zgłębimy temat możliwości komputerów kwantowych, a także czy mają jakieś wady, a jeśli tak, to jakie i dlaczego mogą one na długo zamrozić dalszy rozwój tej technologii.

Ilustracja - Franek Pilichowicz