Tajemnica mocy komputera kwantowego tkwi w jego zdolności do generowania i manipulowania bitami kwantowymi, czyli qubitami.

Co to jest qubit?

Współczesne komputery wykorzystują bity – strumień impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących 1 lub 0. Wszystko, od tweetów i e-maili po piosenki z iTunes i filmy z YouTube, to w zasadzie długie ciągi cyfr binarnych.

Komputery kwantowe wykorzystują natomiast qubity, którymi są zazwyczaj cząstki subatomowe, takie jak elektrony lub fotony. Generowanie i zarządzanie qubitami jest wyzwaniem naukowym i inżynieryjnym. Niektóre firmy, takie jak IBM, Google i Rigetti Computing, wykorzystują obwody nadprzewodzące schłodzone do temperatury niższej niż w głębokiej przestrzeni kosmicznej. Inne, takie jak IonQ, więżą pojedyncze atomy w polu elektromagnetycznym na krzemowym chipie w komorach ultra-wysokiej próżni. W obu przypadkach celem jest wyizolowanie qubitów w kontrolowanym stanie kwantowym.

Qubity mają pewne dziwne właściwości kwantowe, które oznaczają, że połączona grupa może zapewnić znacznie większą moc przetwarzania niż ta sama liczba bitów binarnych. Jedna z tych właściwości znana jest jako superpozycja, a inna jako splątanie.

Co to jest superpozycja?

Kubity mogą reprezentować wiele możliwych kombinacji 1 i 0 w tym samym czasie. Ta zdolność do jednoczesnego przebywania w wielu stanach nazywana jest superpozycją. Aby wprowadzić qubity w stan superpozycji, badacze manipulują nimi za pomocą precyzyjnych laserów lub wiązek mikrofalowych.

Dzięki temu sprzecznemu z intuicją zjawisku komputer kwantowy z kilkoma qubitami w superpozycji może przebrnąć przez ogromną liczbę potencjalnych wyników jednocześnie. Ostateczny wynik obliczeń pojawia się dopiero po zmierzeniu qubitów, co natychmiast powoduje „załamanie” ich stanu kwantowego do 1 lub 0.

Co to jest splątanie?

Badacze mogą generować pary qubitów, które są „splątane”, co oznacza, że dwa człony pary istnieją w jednym stanie kwantowym. Zmiana stanu jednego z qubitów powoduje natychmiastową zmianę stanu drugiego qubitu w przewidywalny sposób. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy dzieli je bardzo duża odległość.

Nikt tak naprawdę nie wie do końca, jak i dlaczego splątanie działa. Zdziwiło to nawet Einsteina, który opisał to jako „upiorne działanie na odległość”. Ale jest to klucz do mocy komputerów kwantowych. W konwencjonalnym komputerze podwojenie liczby bitów podwaja jego moc obliczeniową. Ale dzięki splątaniu, dodanie dodatkowych qubitów do maszyny kwantowej powoduje wykładniczy wzrost jej zdolności obliczeniowych.

Komputery kwantowe zaprzęgają splątane qubity w rodzaj kwantowego łańcucha daisy chain do pracy nad swoją magią. Zdolność maszyn do przyspieszania obliczeń przy użyciu specjalnie zaprojektowanych algorytmów kwantowych jest powodem, dla którego jest tak wiele szumu wokół ich potencjału.

To dobra wiadomość. Zła wiadomość jest taka, że maszyny kwantowe są bardziej podatne na błędy niż klasyczne komputery z powodu dekoherencji.

Co to jest dekoherencja?

Oddziaływanie qubitów z otoczeniem w sposób, który powoduje rozpad ich zachowania kwantowego i ostateczny zanik, nazywamy dekoherencją. Ich stan kwantowy jest niezwykle kruchy. Najmniejsze drgania lub zmiany temperatury – zakłócenia znane jako „szum” w mowie kwantowej – mogą spowodować wypadnięcie z superpozycji zanim ich zadanie zostanie prawidłowo wykonane. Dlatego naukowcy robią wszystko, co w ich mocy, aby chronić qubity przed światem zewnętrznym w tych superchłodzonych lodówkach i komorach próżniowych.

Ale pomimo ich wysiłków szum nadal powoduje, że do obliczeń wkradają się liczne błędy. Inteligentne algorytmy kwantowe mogą skompensować niektóre z nich, a dodanie większej liczby qubitów również pomaga. Jednak stworzenie jednego, wysoce niezawodnego qubitu, zwanego qubitem „logicznym”, będzie prawdopodobnie wymagało tysięcy standardowych qubitów. To spowoduje, że komputer kwantowy nie będzie miał wystarczającej mocy obliczeniowej.

I tu jest szkopuł: jak dotąd naukowcy nie byli w stanie wygenerować więcej niż 128 standardowych qubitów (zobacz nasz licznik qubitów tutaj). Tak więc wciąż jesteśmy o wiele lat od uzyskania komputerów kwantowych, które będą powszechnie użyteczne.

To nie osłabiło nadziei pionierów na bycie pierwszymi, którzy zademonstrują „kwantową supremację”.”

Co to jest supremacja kwantowa?

To punkt, w którym komputer kwantowy może wykonać obliczenia matematyczne, które są ewidentnie poza zasięgiem nawet najpotężniejszego superkomputera.

Wciąż nie jest jasne, ile dokładnie qubitów będzie potrzebnych, aby to osiągnąć, ponieważ naukowcy wciąż znajdują nowe algorytmy zwiększające wydajność klasycznych maszyn, a sprzęt superkomputerowy jest coraz lepszy. Jednak naukowcy i firmy ciężko pracują, aby zdobyć ten tytuł, przeprowadzając testy z najpotężniejszymi superkomputerami na świecie.

W świecie naukowym toczy się wiele dyskusji na temat tego, jak istotne będzie osiągnięcie tego kamienia milowego. Zamiast czekać na ogłoszenie supremacji, firmy już zaczynają eksperymentować z komputerami kwantowymi wyprodukowanymi przez takie firmy jak IBM, Rigetti i D-Wave, kanadyjską firmę. Chińskie firmy, takie jak Alibaba, również oferują dostęp do maszyn kwantowych. Niektóre firmy kupują komputery kwantowe, podczas gdy inne korzystają z tych udostępnianych za pośrednictwem usług przetwarzania w chmurze.

Gdzie komputer kwantowy może być najbardziej przydatny w pierwszej kolejności?

Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań komputerów kwantowych jest symulacja zachowania materii aż do poziomu molekularnego. Producenci samochodów, tacy jak Volkswagen i Daimler, wykorzystują komputery kwantowe do symulacji składu chemicznego akumulatorów pojazdów elektrycznych, aby znaleźć nowe sposoby na poprawę ich wydajności. Z kolei firmy farmaceutyczne wykorzystują je do analizowania i porównywania związków chemicznych, co może prowadzić do stworzenia nowych leków.

Maszyny te są również doskonałe do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, ponieważ mogą bardzo szybko przebrnąć przez ogromną liczbę potencjalnych rozwiązań. Airbus, na przykład, używa ich do obliczania najbardziej paliwooszczędnych ścieżek wznoszenia i opadania dla samolotów. Z kolei Volkswagen zaprezentował usługę, która oblicza optymalne trasy dla autobusów i taksówek w miastach, aby zminimalizować zatory. Niektórzy badacze uważają również, że maszyny te mogłyby zostać wykorzystane do przyspieszenia rozwoju sztucznej inteligencji.

Może minąć jeszcze kilka lat, zanim komputery kwantowe osiągną swój pełny potencjał. Uczelnie i firmy pracujące nad nimi borykają się z brakiem wykwalifikowanych naukowców w tej dziedzinie, a także z brakiem dostawców niektórych kluczowych komponentów. Jeśli jednak te egzotyczne, nowe maszyny obliczeniowe spełnią swoje obietnice, mogą przekształcić całe gałęzie przemysłu i przyspieszyć globalne innowacje.

Zaloguj sięZapisz się teraz