W nie tak odległej galaktyce….
Na naszych oczach, w tym oczach technologicznych laików podobnych autorce, dokonuje się kolejny przełom w dziedzinie nauki. Gdzieś poza codziennym zgiełkiem, w przestrzeniach laboratoriów, rozgrywa się kwantowy wyścig, w którym udział biorą technologiczni giganci. Choć naukowe doniesienia brzmią teraz jak opowieści science fiction, warto przyglądać się informacjom o wydarzeniach, które za kilkanaście lat zmienić mogą oblicze świata.
Postęp ma się dokonać dzięki niezwykłej mocy operacyjnej kwantowych maszyn. W erze klasycznych komputerów, wykonujących obliczenia na danych zapisanych pod postacią bitów, niektóre problemy są zbyt „kosztowne obliczeniowo” – tzn. nakład pracy oraz jej czas przewyższa możliwości superkomputerów, czyli najpotężniejszych elektronicznych maszyn. Rozwiązania takich problemów są więc szacowane lub badane eksperymentalnie. Stan znaczącej przewagi operacyjnej – czyli możliwość dokonania obliczeń, które zajęłyby supermaszynom Turinga miliardy lat – nazywamy stanem „kwantowej supremacji”.
Cudowne położenie
Aby zrozumieć działanie najnowszych systemów, musimy dać ponieść się wyobraźni karmionej powieściami fantastyki naukowej. W powszechnie używanych komputerach rolę nośnika informacji pełni binarny bit. Ten oswojony już element obliczeniowy, jest w stanie przyjąć jeden z dwóch stanów, reprezentowanych przez zero lub jeden. Jednostką przyszłości będzie jednak kubit, czyli bit kwantowy. Siła takich komputerów kryje się w zdolności do manipulowania cząsteczkami subatomowymi – elektronami lub fotonami, które są w stanie tzw. superpozycji. Co jednak oznacza to „cudowne położenie”? Otóż oprócz wartości zero i jeden, kubit przyjmować może także każdą pośrednią.
Podczas gdy klasyczna maszyna Turinga wykonuje jedną operację po drugiej, komputer kwantowy jest w stanie wykonać wszystkie te obliczenia jednocześnie, generując ogromną liczbę potencjalnych wyników.
Jak pisze Piotr Cieśliński: „Przeprowadzanie operacji na kubitach przypomina (…) sprawdzanie różnych możliwych scenariuszy jakiejś historii, które toczą się jednocześnie w wielu światach równoległych”. Liczba operacji, jaką przeprowadzić może taki system rośnie wykładniczo. Procesor dwukubitowy zweryfikować może jednocześnie cztery potencjalne wyniki, trzykubitowy już osiem, czterokubitowy aż szesnaście…. Pięćdziesięciotrzykubitowy procesor jest w stanie przeprowadzić astronomiczną ilość operacji w jednym czasie. Liczba ta przewyższa choćby szacowaną ilość gwiazd Drogi Mlecznej.
Kwantowy wyścig
Nie dziwi więc, że w pracę nad prototypem komputera o takiej mocy zaangażowały się nie tylko ośrodki naukowe, ale i giganci tacy jak: Google, IBM, Microsoft, Intel czy Amazon. Od ponad roku media obiegają doniesienia o kolejnym zespole, który stara się uzyskać miano pierwszego, który osiągnął stan „kwantowej supremacji”.
Jako pierwsi dokonanie to przypisywali sobie naukowcy z laboratorium sztucznej inteligencji kwantowej (Quantum AI Lab) Google’a. Ich pięćdziesięciotrzykubitowy procesor o wdzięcznej nazwie Sycamore, w ponad 3 minuty wykonał obliczenia, które superkomputerowi zajęłyby około 10 tysięcy lat. Wydawało się, że zespół kierowany przez Johna Martinisa dokonał oczekiwanego przełomu. Osiągnięcie to jednak zakwestionowali badacze z IBM, twierdząc, że złożoność problemu rozwiązanego przez Sycamore została przeszacowana. Zgodnie z ich analizą najszybszy komputer tych samych obliczeń dokonałby w ponad 3 dni. Konkurencyjne laboratorium skutecznie zasiało ziarno wątpliwości. Osiągnięcie zespołu Google’a zostało zdyskredytowane, a w świat medialny wdarła się niepewność.
Chiński zespół na czele
W efekcie tych spekulacji osiągnięciem kwantowej supremacji jako pierwsi/ kolejni pochwalili się Chińczycy. Na łamach czasopisma „Science” donieśli o sukcesie komputera Jiuzhang, który w 180 sekund wykonał obliczenia, szacowane obecnie na 600 mln lat. Jeśli chcielibyśmy przedstawić ten spektakularny wynik bardziej obrazowo – gdyby tradycyjny superkomputer wykonywał te obliczenia od początku istnienia wszechświata, to relatywnie niedawno zacząłby czynność dopiero po raz dwudziesty czwarty.
Laik podobny do autorki zada sobie w tym momencie pytanie o tak rozbieżne czasy obliczeniowe obu procesorów. To, co czyni zagadnienie kwantowych obliczeń jeszcze bardziej złożonym, to fakt, że jeden kwantowy komputer, niepodobny jest do drugiego. Sycamore zbudowany jest ze schładzanych materiałów nadprzewodzących, natomiast Jiuzhang do pracy wykorzystuje wiązki światła laserowego. Jak komentuje to kierownik chińskiego zespołu: „Dowiedliśmy, że można wykorzystać fotony, podstawowe kwanty światła, by uzyskać siłę obliczeniową kwantowych komputerów znacząco przewyższającą [moc obliczeniową] komputerów klasycznych”.
Działamy bez cenzury. Nie puszczamy reklam, nie pobieramy opłat za teksty. Potrzebujemy Twojego wsparcia. Dorzuć się do mediów obywatelskich.
Niestały jak kubit
Wykorzystanie fotonów niesie za sobą istotne korzyści. Większość maszyn kwantowych jest niezwykle podatna na zaburzenia. Aby działały one sprawnie, muszą być izolowane od warunków zewnętrznych. Superpozycja kubitu ulega zniszczeniu zarówno w wyniku promieniowania cieplnego, jak i kosmicznego. Co więcej, stabilność układu zmniejsza się wraz ze wzrostem jego mocy. Z tego powodu Sycmore, przypomina skomplikowaną chłodziarkę, w którą wbudowane są kwantowe obwody. Komputer Google’a pracuje w ekstremalnie niskiej temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu (-273,15 stopnie Celsjusza). Podobno jest to temperatura, której trudno doświadczyć nawet w najodleglejszym zakątku kosmosu. Reaktywność systemów kwantowych skutkuje błędami w obliczeniach i wymusza ponowne ich przetwarzanie. Wynik takich obliczeń jest więc uśrednioną wartością, wyciągniętą na podstawie wielokrotnych powtórzeń.
Jiuzhang przewyższa w tym zakresie swojego „poprzednika”, gdyż nie wymaga chłodzenia. Jego ogromną wadą natomiast jest brak uniwersalności. Działanie chińskiego komputera ograniczone jest do rozwiązania specyficznego problemu zachowania fotonów. Jest to zresztą specyfika wszystkich zbudowanych dotychczas maszyn kwantowych. Każdy z komputerów powstał, by swoją moc obliczeniową zaprezentować podczas dokonywania konkretnych obliczeń. Wydaje się jednak, że procesor Sycamore jest bardziej podatny na przekształcenia i z czasem naukowcy znajdą sposób, by dzięki niemu rozwiązywać także inne problemy.
Kwantowe benefity?
Kwantowe doniesienia brzmią imponująco, lecz na razie traktujemy je jako naukowe ciekawostki, które nie mają wpływu na naszą codzienność. Jak przekonują jednak badacze, taka moc obliczeniowa może mieć praktyczne zastosowania. Najnowsze komputery przyczynić mogą się do rozwoju chemii kwantowej czy uczenia maszynowego. Mimo że ich potencjał nie jest do końca rozpoznany, przewidzieć możemy ich wykorzystanie w przemyśle farmaceutycznym (analiza związków wykorzystywanych przy produkcji nowych leków), czy transportowym (optymalizacja zużycia paliwa czy symulacja wydajności części podczas zwiększania obciążeń).
Moment przejścia od specjalizacji i rozwiązywania pojedynczych problemów do programowania szerokiego wachlarza zadań będzie oczekiwanym przełomem, który przynieść może liczne korzyści. Lecz jak często w takich wypadkach bywa, z korzyściami idą w parze zagrożenia.
Niespotykana dotąd sprawność obliczeniowa zagrozić może stosowanym kluczom szyfrującym. Obecne systemy kryptograficzne staną się bezużyteczne. Kwantowe maszyny bez trudu poradzą sobie nie tylko z naszymi komputerowymi hasłami, ale także zagrożą obecnemu systemowi transakcji bankowych, kryptowalut czy komunikacji wojska. Pierwszy, stworzony jeszcze w połowie lat 90. algorytm dla komputerów kwantowych powstał właśnie z myślą o deszyfracji.
Nim jednak opowieści science fiction przerażą nas tym razem naprawdę, warto pamiętać, że rozwój nowych technologii wiąże się z nowymi rozwiązaniami. Specjaliści wraz z naukowcami już pracują, by przewidywany postęp przekuć w bezpieczną sieć komunikacji. Komputery kwantowe przyczynić mogą się także do opracowania nowych systemów szyfrujących, które będę bezpieczniejsze od tych obecnie stosowanych.
Źródła:
P. Cieśliński, „Chińczycy deklasują Google’a. Ich komputer kwantowy wykonał rachunek, który innym zająłby pół wieku Ziemi”, artykuł ze internetowego wydania gazety Wyborczej [dostęp: 8.05.2021]
R. Kosarzycki, „Chińczycy pozazdrościli Google’owi. Ich komputer kwantowy dokonał przełomowych obliczeń”, artykuł z internetowego magazynu Spider’sWeb [dostęp: 7.05.2021]
M. Przybylska, „Czy komputery kwantowe są zagrożeniem dla szyfrowania i technologii blockchain?”,artykuł ze strony AvLab [dostęp: 8.05.2021]
M. Rolecki, „Chiński komputer kwantowy. Ze światła”, artykuł z internetowego magazynu Sztuczna Inteligencja [dostęp:8.05.2021]
M. Rolecki, „Komputery kwantowe mogą być stabilne”, artykuł z internetowego magazynu Sztuczna Inteligencja [dostęp: 8.05.2021]
K. Woś, „Komputer kwantowy: jaki wpływ będzie miał na nasze życie?”,artykuł z internetowego magazynu AntyWeb [dostęp: 8.05.2021]
„Chiński komputer kwantowy Jiuzhang dokonał przełomowych obliczeń”, artykuł z internetowego magazynu GeekWeek [dostęp: 9.05.2021]
„Kwantowa supremacja Chin. Urządzenie Jiuzhang znacznie szybsze od superkomputerów”, artykuł z internetowego magazynu Dziennik Naukowy [dostęp: 8.05.2021]
