Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Temat komputerów kwantowych od wielu lat rozpala wyobraźnię naukowców oraz entuzjastów nowych technologii.
Choć często przedstawiane są jako przyszli następcy klasycznych maszyn, ich prawdziwa natura i możliwości okazują się bardziej złożone.
Wszyscy słyszeli o komputerach kwantowych – technologia ta pojawia się w przestrzeni publicznej już od dobrych kilkudziesięciu lat. Osobiście po raz pierwszy usłyszałem o nich, jeśli dobrze pamiętam jakieś 15 lat temu, w okolicach końca szkoły podstawowej.
Ówcześnie wydawało mi się, że doskonale rozumiem zasadę ich działania – wszystko miało bazować na kubitach, które mogły przyjmować większą ilość stanów niż zwyczajne, znana z logiki cyfrowej bity. Więcej stanów, to większa wydajność, dlatego w tamtym czasie dla mojego umysłu komputer kwantowy był po prostu bardziej wydajną wersją klasycznej jednostki centralnej. Uruchomienie gier z serii Battlefield, w które ówcześnie się zagrywałem, na takiej maszynie miało skutkować niewyobrażalną wręcz ilością klatek na sekundę.
Procesor kwantowy D-Wave 2X 1000 Qubit
Jednak co ciekawe, obecnie w umysłach wielu ludzi przekonanie, że komputery kwantowe, jako te bardziej wydajne jednostki zastąpią w przyszłości klasyczne komputery, jest nadal obecne. Jak już się pewnie domyślacie, wydajność sprzętu kwantowego nie jest wcale taka oczywista, dlatego w tym artykule postaram się nieco rozjaśnić to zagadnienie i opowiedzieć czym właściwie są komputery kwantowe.
Natura mechaniki kwantowej jest dziwna, a w wielu przypadkach co najmniej zaskakująca. Nie będę przedstawiać tutaj podstaw tego zagadnienia, bo uważam, że nie mam wystarczającej wiedzy w tym temacie i w myśl twierdzenia Nielsa Bohra – „Jeśli ktoś uważa, że rozumie fizykę kwantową, to tak naprawdę nic z niej nie rozumie”, odsyłam wszystkich zainteresowanych do wykładów, jak i książki profesora Andrzeja Dragana. Ja sam natomiast postaram się uchwycić kontekst kolejnych odkryć i kryjących się za nimi historii.
Konferencja Solvay rok 1927
Korzenie obliczeń kwantowych sięgają tak naprawdę początku XX wieku. To wówczas światło dzienne ujrzała hipoteza Maxa Plancka głosząca, że energia nie jest przekazywana w sposób ciągły, lecz w postaci dyskretnych porcji – kwantów.
W ślad za nimi Niels Bohr opracował model atomu oparty na skwantyzowanych poziomach energetycznych, wprowadzając pojęcie skoków kwantowych. Kolejnym z naukowców uwiedzionych mechaniką kwantową był Werner Heisenberg, który sformułował zasadę niepewności, podkreślając ograniczenia w jednoczesnym pomiarze pozycji i pędu cząstki.
Zagadnienia te, choć ciekawe, były jednak tylko teoriami i to dopiero odkrycia kolejnych dekad zaczęły nieco bardziej krystalizować pojęcia mechaniki kwantowej. Splatanie kwantowe, opisane w tak zwanym paradoksie EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), oraz późniejsze nierówności Bella, eksperymentalnie potwierdzone w latach 60., zaczęły ujawniać pewne niezwykłe korelacje między cząstkami, występujące niezależne od dzielących je odległości.
Zjawisko to, z dzisiejszej perspektywy niezwykle ważne, wzbudziło ogromne zainteresowanie, ale i kontrowersje. Naukowcy zdawali sobie sprawę, że mechanika kwantowa jest czymś „dziwnym”, czymś, co w przyszłości może zrewolucjonizować postrzeganie świata.
Richard Feynman
Punktem zwrotnym dla samej dziedziny obliczeń kwantowych była pierwsza konferencja PhysComp zorganizowana w 1980 roku. Wydarzenie to zapoczątkowało rozwój nowego paradygmatu – komputera kwantowego, zdolnego do realizacji obliczeń nieosiągalnych dla klasycznych maszyn.
Był to też moment, w którym koncepcja obliczeń kwantowych zaczęła jawić się jako coś realnego, a nie tylko jako wizja szalonych naukowców. Liderami tamtych lat była trójka uczonych Richard Feynman, Paul Benioff i David Deutsch. Ich dziełem jest kilka idei, które położyły teoretyczne fundamenty pod przyszły rozwój komputerów kwantowych.
Richard Feynman w 1981 roku podczas kolejnej konferencji PhysComp zasugerował, że jedynym sposobem na realistyczne modelowanie układów kwantowych jest wykorzystanie maszyn działających zgodnie z ich zasadami. Wypunktował tym samym ograniczenia klasycznych komputerów w symulowaniu zjawisk kwantowych, proponując rozwiązanie w postaci komputera kwantowego – urządzenia zdolnego do odwzorowania natury jej własną bronią.
Paul Benioff
W ślad za Feynmanem, Paul Benioff zaprezentował w 1982 roku koncepcję kwantowej maszyny Turinga – modelu obliczeń, który wykorzystywał formalizm mechaniki kwantowej do odwzorowania działania klasycznej maszyny Turinga. Był to pierwszy dowód, że systemy kwantowe mogą teoretycznie realizować obliczenia.
Następnie, w 1985 roku, David Deutsch poszedł o krok dalej, przedstawiając ideę uniwersalnego komputera kwantowego – maszyny, która mogłaby wykonywać dowolne obliczenie, również takie realizowane już przez klasyczne komputery, ale z przewagą wynikającą z wykorzystania zjawisk kwantowych.
Okres od 1980 do połowy lat 90. można uznać za czas narodzin obliczeń kwantowych jako samodzielnej i traktowanej poważnie dziedziny badawczej. Zawdzięczamy to przede wszystkim pracy Feynmana, Benioffa i Deutscha.
David Deutsch
W połowie lat 90. obliczenia kwantowe wkroczyły w nową fazę rozwoju. Kluczowym momentem było tutaj ogłoszenie przez Petera Shora w 1994 roku algorytmu, który potrafił w sposób efektywny rozkładać duże liczby na czynniki pierwsze – zadanie, które dla klasycznych komputerów pozostaje niezwykle trudne i czasochłonne. To był pierwszy raz, kiedy pokazano, że komputer kwantowy może nie tylko być teoretycznym modelem, który być może w przyszłości będzie przydatny.
Peter Shor
Dwa lata później Lov Grover zaprezentował inny fundamentalny algorytm, służący do przeszukiwania nieposortowanych baz danych. Klasyczne algorytmy potrzebują średnio N kroków, aby znaleźć poszukiwany element w zbiorze o N elementach, natomiast algorytm Grovera wykonuje to samo zadanie w około pierwiastek N krokach, oferując kwadratowe przyspieszenie. Był to kolejny dowód potwierdzający rzeczywistą przydatność rozwiązań kwantowych.
Zainspirowani tymi sukcesami, naukowcy zaczęli eksplorować nowe obszary: pojawiły się algorytmy dla problemów logarytmu dyskretnego, symulacji kwantowej czy zagadnień z ukrytymi strukturami algebraicznymi. Zakres potencjalnych zastosowań komputerów kwantowych dość szybko się poszerzał, a kolejne teoretyczne konstrukcje ukazywały, że korzyści z ich użycia, mogą być znacznie większe niż wcześniej przypuszczano. Lata 90. zakończyły się z jasnym przekazem: obliczenia kwantowe to nie tylko obietnica, lecz rzeczywista szansa na rewolucję w przetwarzaniu informacji.
Początek XXI wieku był momentem startu wyścigu między naukowcami, korporacjami i startupami, którego celem było zbudowanie pierwszego praktycznego komputera kwantowego. To właśnie w tej dekadzie nastąpiło przejście od teoretycznych koncepcji i laboratoryjnych eksperymentów do rzeczywistych prób stworzenia maszyny kwantowej.
Próbowano oprzeć je na jonach pułapkowych, nadprzewodnikach, czy bardziej egzotycznych kubitach topologicznych. Każde z nich oferowało inne korzyści i zmagało się z odmiennymi ograniczeniami technologicznymi, o czym szerzej wspomnę jeszcze w dalszej części materiału.
Kwantowy układ przygotowany przez D-Wave Systems
Jednym z pierwszych, dość głośnym wydarzeniem w tej branży, było osiągnięcie kanadyjskiej firmy D-Wave Systems, która w 2011 roku ogłosiła stworzenie pierwszego komputera kwantowego – D-Wave One. Ich maszyna przeznaczona była przede wszystkim do optymalizacji danych i choć działała, to wzbudzała też wiele kontrowersji. Spora grupa badaczy kwestionowała, czy komputer rzeczywiście wykorzystuje zjawiska stricte kwantowe, czy może bardzo skutecznie je udaje, przewyższając wydajnością klasyczne rozwiązania.
Sundar Pichai prezentujący komputer kwantowy
Prawdziwym przełomem okazało się ogłoszenie przez Google w 2019 roku zrealizowanie kwantowej supremacji. Układ Sycamore, wykonał zadanie w zaledwie 200 sekund, które klasycznemu komputerowi, według szacunków zajęłoby około 10 000 lat.
Eksperyment polegał na wygenerowaniu i pomiarze rozkładu wyników z losowego obwodu kwantowego, czyli w nieco prostszym ujęciu, symulacji złożonego układu bramek kwantowych o losowej strukturze. Celem było wygenerowanie próbek z rozkładu prawdopodobieństwa, którego klasyczne maszyny nie byłyby w stanie odtworzyć w rozsądnym czasie.
Zadanie to, choć nie miało praktycznego zastosowania, przygotowano właśnie po to, by wykazać przewagę komputerów kwantowych nad klasycznymi – i jako takie stanowi symboliczny moment, potwierdzający potencjał technologii kwantowej do rozwiązywania problemów wykraczających poza możliwości konwencjonalnych superkomputerów.
Procesor kwantowy Sycamore opracowany przez Google
Pomimo sukcesów ostatnich lat, obliczenia kwantowe nadal stoją przed wieloma wyzwaniami. Kluczowe są tutaj kwestie wydłużenie czasu „istnienia” kubitów (czyli czasu, przez jaki mogą one utrzymać swoje stany kwantowe), opracowanie skutecznych metod korekcji błędów, bo te są w tym świecie dość powszechne, oraz skalowalnych architektur zdolnych obsłużyć tysiące czy miliony kubitów.
W kwantowym wyścigu uczestniczą technologiczni giganci, tacy jak Google, IBM czy Microsoft, ale wspomnieć trzeba też olbrzymią masę startupów badającą ten temat. Kto wie być może to właśnie któraś z niewielkich firm, której nazwy jeszcze dzisiaj nie znamy, w przyszłości zrewolucjonizuje branżę komputerów kwantowych.
Zjawiska kwantowe to dość skomplikowane i rozbudowane ewenementy, których dokładny opis znacznie przekracza ramy niewielkiego internetowego artykułu. Chciałbym jednak opisać krótko trzy kwestie, które są dość istotne z perspektywy komputerów kwantowych i które odróżniają je od klasycznych konstrukcji.
Graficzne przedstawienie kubitu na sferze Blocha
W standardowych maszynach logicznych najmniejszą jednostką informacji jest bit, który może przyjmować jedną z dwóch wartości – 0 lub 1. W komputerze kwantowym rolę bitu pełni, wspominany już wcześniej kubit. Dzięki zjawisku superpozycji może znajdować się w stanie 0, 1 lub dowolnej kombinacji obu naraz.
Choć może wydawać się to nielogiczne, to rzeczywiście takie zjawisko istnieje i co więcej można je opisać matematycznie, jako wektor w przestrzeni Hilberta. Ten z kolei jest liczbą zespoloną, której moduł podniesiony do kwadratu określa prawdopodobieństwo uzyskania zera lub jedynki.
Splątanie kwantowe to zjawisko kojarzone zazwyczaj w pierwszej kolejności, jeśli spytamy kogoś o tę dziedzinę nauki. Dzięki niemu dwa lub więcej kubitów mogą być powiązanych w taki sposób, że stan jednego z nich determinuje stan drugiego, niezależnie od odległości między nimi.
Tym samym pomiar jednego kubitu natychmiast wskazuje wynik drugiego, jeśli pierwszy jest zerem, drugi również będzie zerem. Zachowanie to jest niezwykłe z punktu widzenia przesyłania informacji, jak i pracy na wielu elementach jednocześnie. W praktyce splątanie pozwala budować wielokubitowe bramki kwantowe, które moglibyśmy porównać do klasycznych bramek logicznych.
Splątanie kwantowe
Cząstki kwantowe, takie jak elektrony czy fotony, wykazują właściwości zarówno falowe, jak i cząsteczkowe. Ta swego rodzaju dwoistość determinuje powstanie zjawiska interferencji, czyli nakładania się fal, które mogą się wzajemnie wzmacniać lub osłabiać. W komputerach kwantowych interferencja wykorzystywana jest do wzmacniania prawdopodobieństw pożądanych wyników i eliminowania tych niepożądanych w trakcie wykonywania algorytmów.
Czy to oznacza, że wyniki operacji realizowanych przez tego typu urządzenia mogą być błędne? I tak, i nie, odpowiedź na to pytanie nie jest tak naprawdę jednoznaczna. Z ludzkiego punktu widzenia komputer kwantowy może wygenerować błędną odpowiedź, ta jednak będzie zgodna z zasadami mechaniki kwantowej.
Dla przykładu możemy sobie wyobrazić, że zadaniem komputera jest znaleźć konkretną wartość w zbiorze bardzo wielu elementów. We większości przypadków ta zostanie wskazana poprawnie, ale z uwagi, że pomiar, innymi słowy, wyciągniecie wyniku, określa konkretny stan kubitów to proces ten niejako „zamyka” superpozycję, przez co istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że sprzęt wskaże nieprawidłową wartość.
Czym tak właściwie jest komputer kwantowy? Do tej pory przywołałem dość sporo różnych pojęć typu: kubity, algorytmy, superpozycja, kwantowe bramki czy dwoistość cząstek. Wszystko to brzmi całkiem mądrze, co więcej opisuje też zasady zachowania komputerów kwantowych, jednak pytanie, czym te są w rzeczywistości, wciąż pozostaje otwarte.
Komputer kwantowy IBM
Można by powiedzieć, że przecież to oczywiste, komputerami kwantowymi są te wszystkie dziwne, cylindryczne konstrukcje, które możemy zobaczyć na materiałach marketingowych firm technologicznych. Jest to rzeczywiście prawidłowa odpowiedź, jednak nie precyzuje ona tego tematu, co więcej konstrukcje widoczne na filmach to we większości systemy chłodzenia, które co by nie mówić wyglądają dość spektakularnie.
Klasyczne komputery oparte są na krzemowych układach scalonych, jest to efekt wieloletniego rozwoju technologii, ale sprzętu kwantowego nie możemy opisać już tak jednoznacznie. Szukając historycznego porównania, moglibyśmy powiedzieć, że jesteśmy na początku epoki lamp próżniowych i aktualnie istnieje kilka sposobów realizacji komputerów kwantowych.
Komputer kwantowy
Jednym z nich jest umieszczanie pojedynczych, neutralnych atomów rubidu lub cezu, schłodzonych do bardzo niskich temperatur w optycznych pułapkach. Są one utrzymywane w miejscu za pomocą laserów, a pojedyncza kwantowa informacja odpowiada ich wewnętrznemu stanowi.
Podejście to oferuje dość dobrą skalowalność, ponieważ atomy można umieszczać w dwuwymiarowych siatkach, co więcej bazujemy tutaj tylko na stanie atomu, a nie jego ładunku, przez co konstrukcje tego typu są mniej podatne na zakłócenia. Z drugiej jednak strony komputer kwantowy zrealizowany w ten sposób jest bardzo wolny, pojedyncze operacje wykonywane są w czasie milisekund. Dodatkowo optyczne pułapki są sporym wyzwaniem technologicznym.
Naukowcy testują odmienne technologie, by znaleźć najlepszy sposób realizacji komputerów kwantowych
Jeśli nie pułapki optyczne to może elektromagnetyczne. W tym podejściu jony pierwiastków takich jak wapń lub bar przechowują ładunek elektryczny, będący jednocześnie informacją kwantową. Manipulacja poszczególnymi jonami również realizowana jest przez wiązkę lasera.
Komputery kwantowe realizowane w ten sposób charakteryzują się bardzo dobrą dokładnością - szansa, że ten zwróci niepoprawną odpowiedź, jest bardzo niska, jednak podobnie jak w przypadku atomów rubidu i cezu sprzęt ten jest dość wolny. Dodatkowo też jego skalowanie jest dość trudne.
Komputery kwantowe mogą korzystać też z nadprzewodników, na przykład niobu. Materiał schłodzony do temperatury bliskiej zera bezwzględnego przedzielony jest cienką warstwą izolatora, dzięki czemu można uzyskać coś, co nazywane jest sztucznym atomem, w którym kolejne poziomy energetyczne reprezentowane są przez konkretne warstwy nadprzewodnika, przechowujące jednocześnie informację kwantową.
Podejście to pozwala budować bardzo szybkie obwody kwantowe, jest jednak wymagające technologicznie ze względu na niskie temperatury. Poza tym konstrukcje nadprzewodnikowe charakteryzuje dość spory odsetek niepoprawnych odpowiedzi, przez co im większy będzie układ, tym bardziej zaawansowane muszą być towarzyszące mu systemy kontroli i korekcji błędów.
Naukowcy dostrzegają potencjał w łączeniu układów kwantowych z klasycznymi scalonymi
Czymś, co najbardziej przypomina klasyczną elektronikę, jest oparcie kubitu na materiale półprzewodnikowym. Informacja kwantowa przechowywana jest w spinie elektronu umieszczonym w kropce kwantowej zbudowanej z germanu lub krzemu. Element taki przypomina nieco klasyczny tranzystor, przez co wielu badaczy podkreśla możliwość potencjalnej integracji takich elementów ze zwyczajnymi układami scalonymi.
Mimo zalet takich jak bardzo łatwa skalowalność trzeba wspomnieć też, że sterowanie spinem elektronu jest dość trudne, a poza tym kubity realizowane w ten sposób są niezwykle podatne na niedoskonałości materiału półprzewodnikowego.
Two scientists discussed a new quantum computer that could solve any problem immediately. One said, "Can I see it?" The other replied, "Of course, but only when you're not looking."
Mimo potężnych możliwości matematycznych i teoretycznych, potwierdzonych również praktycznymi przykładami, dzisiejsze komputery kwantowe są bardzo niestabilne i niedoskonałe. Problemów jest całkiem sporo, jednym z nich jest zjawisko dekoherencji.
Prace nad urządzeniem osiągającym ekstremalnie niskie temperatury, które umożliwiają działanie komputera kwantowego
Kubity, niezależnie jak zrealizowane po czasie tracą swój kwantowy charakter, przez co z punktu widzenia logiki stają się bezużyteczne, poza tym są one niezwykle podatne na zewnętrzne zakłócenia. Stąd też biorą się wspomniane wcześniej systemy chłodzenia, znacznie ograniczające, ale nieeliminujące tego zjawiska.
Wymuszona powtarzalność realizowanych algorytmów, aby uzyskać statystycznie najbardziej prawidłową odpowiedź, również jest pewną niedogodnością. Niewyobrażalne jest, aby na dostępnym w telefonie kalkulatorze wykonywać działanie 2+2 stukrotnie, a wynik 4 otrzymać w 95 przypadkach. Tak jak wspominałem, wynika to niejako z samej mechaniki kwantowej, jednak jak się wydaje powinniśmy dążyć do jak najbardziej doskonałych urządzeń, w których liczba powtórzeń wykonywanych procesów mogłaby jak najmniejsza.
Paradoks wydajności nie oznacza, że komputery kwantowe to ślepa uliczka, wręcz przeciwnie. Postęp jest realny, który obserwujemy z roku na rok. Pojawiają się nowe sposoby fizycznej realizacji kubitów, nowe techniki korekcji błędów, jak i lepsze algorytmy.
Na koniec chciałbym w ramach ciekawostki poruszyć pewną kwestię. W przestrzeni publicznej pojawiły się informację o opracowaniu przez Microsoft chipa Majorana 1 - nowego typu układu, który w świecie komputerów kwantowych może być sporą rewolucją. Niedługo później pojawiły się też kontrowersje wynikające przede wszystkim z rozdźwięku między opublikowanym przez Microsoft artykułem, a informacjami, które pojawiły się publicznie.
Majorana 1
Być może mogliście przeczytać artykuły przygotowane w złowieszczym tonie „wielkie korporacje znowu oszukują ludzi”. Te, jak to często bywa, bazowały na pewnych uproszczeniach i z góry założonej kontrowersji. Temat ten można by rozwinąć spokojnie w ramach osobnego artykułu, ale chciałbym tutaj polecić materiał doktora Bena Milesa, który dość kompletnie opisuje, czym jest Majorana 1, jak i wyjaśnia zaistniałe wokół tego tematu kontrowersje.
Choć komputery kwantowe budzą ogromne emocje, eksperci zgodnie podkreślają, że przez najbliższe lata zdecydowana większość zastosowań – od pracy biurowej po gaming, obróbkę grafiki i programowanie – nadal będzie realizowana na klasycznych komputerach opartych o architekturę CPU i GPU. W praktyce dla użytkowników większe znaczenie ma dobór odpowiednio skonfigurowanej jednostki stacjonarnej niż oczekiwanie na komercyjną rewolucję kwantową.
Osoby analizujące aktualne możliwości rynku mogą porównać dostępne komputery stacjonarne, które już dziś oferują wydajność pozwalającą na realizację zaawansowanych zadań związanych z AI, modelowaniem 3D, programowaniem czy nowoczesnym gamingiem.
Źródła: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]
Artykuł zawiera jeden link sponsorowany (Morele.net).
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
innowacje, procesor, technologia
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...