Czym są komputery kwantowe?

Komputery kwantowe mają potencjał, by znacząco zwiększyć różnorodność i dokładność obliczeń, otwierając nowe zastosowania dla komputerów i usprawniając nasze modele zjawisk fizycznych. Mimo że komputery kwantowe pojawiają się w mediach coraz częściej, wiele osób wciąż nie jest pewnych, czym różnią się one od zwykłych komputerów. Przyjrzyjmy się, jak działają komputery kwantowe, niektórym ich zastosowaniom oraz ich nadchodzącej przyszłości.

Czym jest komputer kwantowy?

Zanim będziemy mogli sensownie zbadać, jak komputery kwantowe działają, musimy najpierw zdefiniować komputery kwantowe. Krótka definicja komputera kwantowego brzmi następująco: to komputer oparty na mechanice kwantowej, który jest w stanie przeprowadzać pewne złożone obliczenia z dużo większą wydajnością niż komputery tradycyjne. To szybka definicja komputerów kwantowych, ale poświęcimy trochę czasu, by naprawdę zrozumieć, co odróżnia je od komputerów tradycyjnych. Zwykłe komputery kodują informacje za pomocą systemu binarnego: reprezentując każdy bit danych jako jedynkę lub zero. Ciągi jedynek i zer są łączone, by reprezentować złożone fragmenty informacji, takie jak tekst, obrazy i dźwięk. Jednak w tych systemach binarnych informacja może być przechowywana wyłącznie jako jedynki i zera, co oznacza, że istnieje sztywne ograniczenie w sposobie reprezentacji i interpretacji danych, a wraz ze wzrostem ich złożoności muszą one stawać się coraz dłuższymi ciągami jedynek i zer. Powodem, dla którego komputery kwantowe mogą wydajniej przechowywać i interpretować dane, jest fakt, że nie używają one bitów do reprezentacji danych, lecz “kubitów“. Kubity to cząstki subatomowe, takie jak fotony i elektrony. Kubity mają kilka interesujących właściwości, które czynią je przydatnymi do nowych metod obliczeniowych. Kubity mają dwie właściwości, z których mogą skorzystać inżynierowie komputerowi: superpozycję i splątanie. Superpozycja kwantowa pozwala kubitom istnieć nie tylko w stanie “jeden” lub “zero”, ale wzdłuż kontinuum między tymi stanami, co oznacza, że za pomocą kubitów można przechowywać więcej informacji. Tymczasem splątanie kwantowe odnosi się do zjawiska, w którym pary kubitów mogą być generowane, a jeśli jeden kubit zostanie zmieniony, drugi kubit również zmienia się w przewidywalny sposób. Te właściwości kwantowe mogą być wykorzystane do bardziej wydajnego reprezentowania i strukturyzowania złożonych danych.

Jak działają komputery kwantowe

Kwantowe “superpozycje” zawdzięczają swoją nazwę faktowi, że mogą znajdować się w więcej niż jednej pozycji jednocześnie. Podczas gdy bity mogą być tylko w dwóch pozycjach, kubity mogą istnieć w wielu stanach na raz. Dzięki częściowo istnieniu superpozycji kwantowych, komputer kwantowy jest w stanie obliczać wiele różnych potencjalnych wyników w tym samym czasie. Po zakończeniu obliczeń kubity są mierzone, co tworzy ostateczny wynik poprzez kolaps stanu kwantowego do 0 lub 1, co oznacza, że wynik może być następnie zinterpretowany przez tradycyjne komputery. Badacze i inżynierowie zajmujący się obliczeniami kwantowymi mogą zmieniać pozycję kubitów za pomocą mikrofal lub precyzyjnych laserów. Inżynierowie komputerowi mogą wykorzystać splątanie kwantowe, by znacząco poprawić moc obliczeniową komputerów. Splątanie kwantowe odnosi się do faktu, że dwa kubity mogą być ze sobą połączone w taki sposób, że zmiana jednego z kubitów w przewidywalny sposób zmienia drugi kubit. Nie jest do końca zrozumiałe, dlaczego kubity mogą ustanowić taką relację lub jak dokładnie działa to zjawisko, ale naukowcy rozumieją je na tyle dobrze, by potencjalnie wykorzystać je w komputerach kwantowych. Dzięki splątaniu kwantowemu dodanie dodatkowych kubitów do maszyny kwantowej nie tylko podwaja moc obliczeniową komputera, ale może ją skalować wykładniczo. Jeśli to wszystko wydawało się nieco zbyt abstrakcyjne, możemy opisać przydatność superpozycji, wyobrażając sobie labirynt. Aby zwykły komputer próbował rozwiązać labirynt, musi wypróbować każdą ścieżkę labiryntu, aż znajdzie udaną trasę. Jednak komputer kwantowy mógłby zasadniczo eksplorować wszystkie różne ścieżki jednocześnie, ponieważ nie jest przywiązany do żadnego konkretnego stanu. Wszystko to prowadzi do stwierdzenia, że właściwości splątania i superpozycji sprawiają, że komputery kwantowe są użyteczne, ponieważ potrafią radzić sobie z niepewnością, są zdolne do eksploracji większej liczby możliwych stanów i wyników. Komputery kwantowe pomogą naukowcom i inżynierom lepiej modelować i rozumieć sytuacje wieloaspektowe, z wieloma zmiennymi.

Do czego służą komputery kwantowe?

Teraz, gdy mamy lepsze wyczucie, jak działają komputery kwantowe, zbadajmy możliwe zastosowania komputerów kwantowych. Wspomnieliśmy już, że komputery kwantowe mogą być używane do przeprowadzania tradycyjnych obliczeń w znacznie szybszym tempie. Jednak technologia komputerów kwantowych może być wykorzystana do osiągnięcia rzeczy, które mogą nie być nawet możliwe lub są wysoce niepraktyczne przy użyciu tradycyjnych komputerów. Jednym z najbardziej obiecujących i interesujących zastosowań komputerów kwantowych jest dziedzina sztucznej inteligencji. Komputery kwantowe mają moc poprawy modeli tworzonych przez sieci neuronowe, a także oprogramowania, które je wspiera. Google obecnie używa swoich komputerów kwantowych, aby pomóc w tworzeniu pojazdów samojezdnych. Komputery kwantowe mają również rolę do odegrania w analizie oddziaływań i reakcji chemicznych. Nawet najbardziej zaawansowane normalne komputery mogą modelować reakcje tylko między stosunkowo prostymi cząsteczkami, co osiągają poprzez symulację właściwości badanych cząsteczek. Komputery kwantowe pozwalają jednak badaczom tworzyć modele, które mają dokładnie takie same właściwości kwantowe jak cząsteczki, które badają. Szybsze, dokładniejsze modelowanie cząsteczek pomogłoby w tworzeniu nowych leków terapeutycznych i nowych materiałów do wykorzystania w technologiach energetycznych, takich jak wydajniejsze panele słoneczne. Komputery kwantowe mogą być również wykorzystane do lepszego przewidywania pogody. Pogoda jest zbiegiem wielu zdarzeń, a wzory używane do przewidywania wzorców pogodowych są skomplikowane i zawierają wiele zmiennych. Przeprowadzenie wszystkich obliczeń potrzebnych do przewidzenia pogody może zająć niezwykle dużo czasu, podczas którego same warunki pogodowe mogą ewoluować. Na szczęście równania używane do przewidywania pogody mają naturę falową, którą komputer kwantowy może wykorzystać. Komputery kwantowe mogą pomóc badaczom budować dokładniejsze modele klimatyczne, które są niezbędne w świecie, w którym klimat się zmienia. Komputery i algorytmy kwantowe mogą być również wykorzystane do lepszego zapewnienia prywatności danych. Kryptografia kwantowa wykorzystuje zasadę nieoznaczoności kwantowej, gdzie każda próba zmierzenia obiektu kończy się wprowadzeniem zmian w tym obiekcie. Próby przechwycenia komunikacji wpłynęłyby na wynikową komunikację i wykazałyby dowody ingerencji.

Przyszłość obliczeń kwantowych

Większość zastosowań komputerów kwantowych będzie ograniczona do środowisk akademickich i biznesowych. Mało prawdopodobne jest, aby konsumenci/ogół społeczeństwa otrzymali kwantowe smartfony, przynajmniej nie w najbliższym czasie. Wynika to z faktu, że do obsługi komputera kwantowego potrzebny jest specjalistyczny sprzęt. Komputery kwantowe są wysoce wrażliwe na zakłócenia, ponieważ nawet najbardziej minimalne zmiany w otaczającym środowisku mogą spowodować zmianę pozycji kubitów i wypadnięcie ze stanu superpozycji. Nazywa się to dekoherencją i jest to jeden z powodów, dla których postępy w komputerach kwantowych wydają się przychodzić tak wolno w porównaniu ze zwykłymi komputerami. Komputery kwantowe zazwyczaj muszą działać w warunkach ekstremalnie niskich temperatur, w izolacji od innego sprzętu elektrycznego. Nawet przy wszystkich środkach ostrożności szum wciąż powoduje błędy w obliczeniach, a badacze poszukują sposobów na zwiększenie niezawodności kubitów. Aby osiągnąć supremację kwantową, gdzie komputer kwantowy całkowicie przyćmi moc obecnego superkomputera, kubity muszą być ze sobą połączone. Prawdziwie kwantowo-supremacyjny komputer mógłby wymagać tysięcy kubitów, ale najlepsze dzisiejsze komputery kwantowe mogą zazwyczaj obsługiwać tylko około 50 kubitów. Badacze nieustannie czynią postępy w tworzeniu bardziej stabilnych i niezawodnych kubitów. Eksperci w dziedzinie komputerów kwantowych przewidują, że potężne i niezawodne urządzenia kwantowe mogą pojawić się w ciągu dekady.