Obliczenia kwantowe zrewolucjonizują technikę obliczeniową w takim stopniu, jak wyzwolenie energii jądrowej odmieniło oblicze energetyki i zbrojeń – pisze George Johnson w książce „Na skróty przez czas”. Ta przepowiednia sprzed 13 już lat może się wkrótce sprawdzić. Prace nad komputerami kwantowymi nabierają tempa – firmy zajmują się dziś rozwiązaniami opartymi na zjawiskach, które są dopiero badane przez naukowców. A udane testy prototypów pokazują, że jest o co walczyć.
Tradycyjne komputery bazują na procesorach zbudowanych z ogromnej ilości krzemowych tranzystorów. Ich moc ciągle rośnie, ale daleko im do tego, co może osiągnąć komputer kwantowy. Przykładem może być złamanie wiadomości zaszyfrowanej za pomocą tak zwanego klucza publicznego i prywatnego, stosowanego powszechnie w internecie. Najlepszym dostępnym dziś superkomputerom zajęłoby to dziesiątki lat. Maszyna wykorzystująca zjawiska kwantowe mogłaby się z tym uporać w kilka sekund. Coś takiego to spełnienie marzeń służb specjalnych próbujących rozszyfrować komunikaty przesyłane przez terrorystów.
Komputery z innych światów
Zwykłe komputery wykonują obliczenia na seriach bitów – zer i jedynek. Komputery kwantowe wykorzystują kwantowe bity, czyli kubity, które mogą przybierać obie te wartości jednocześnie – to tzw. superpozycja. Dzięki niej moc obliczeniowa rośnie w ogromnym tempie. Zdaniem części uczonych dzieje się tak, ponieważ w rzeczywistości istnieje bardzo wiele bliźniaczych wszechświatów (tworzących wspólnie tzw. multiwersum), które przenikają się na poziomie subatomowym. Komputery kwantowe mają działać w wielu takich światach równocześnie.
Jednak ich zbudowanie wcale nie jest proste. Najpierw trzeba stworzyć kubity z obiektów, które podlegają prawom fizyki kwantowej – mogą to być np. elektrony. Potem taką maszynę trzeba zaprogramować i odczytać wyniki obliczeń. A z tym jest problem, ponieważ w świecie kwantowym każda obserwacja zmienia stan obserwowanej materii – to tzw. dekoherencja. Innymi słowy, odczytując wyniki obliczeń, zarazem je kasujemy – to trochę tak, jakby nasz komputer uruchamiał się ponownie za każdym razem, gdy rzucimy okiem na ekran. Podobnie na kwantowy procesor działają wszelkie zmiany, np. skoki temperatury czy zakłócenia elektromagnetyczne wytwarzane przez inne części komputera.
Obliczenia na wymyślonych cząstkach
Naukowcy zatrudnieni przez Microsoft w laboratorium badawczym Station Q znaleźli sposób na zmniejszenie ryzyka dekoherencji. Komputer, nad którym pracują, ma wykonywać obliczenia dzięki enionom. Są to tzw. kwazicząstki, które pojawiają się wskutek oddziaływania między zwykłymi cząstkami – konkretnie elektronami – w niskich temperaturach. Eniony, jak to często w fizyce bywa, zostały najpierw wymyślone – w 1937 r. Pierwsze, wciąż dyskusyjne, dowody na ich istnienie pojawiły się dopiero cztery lata temu.
W takiej sytuacji większość firm komputerowych woli czekać na dalsze wyniki badań. Microsoft wybrał inne rozwiązanie – zatrudnia najlepszych naukowców zajmujących się zjawiskami kwantowymi. Dość powiedzieć, że szefem Station Q jest Michael Freedman, laureat Medalu Fieldsa – nagrody dla matematyków porównywanej z Noblem.
Enion zachowuje się jednocześnie jak elektron i antyelektron. Można go wykryć za pomocą precyzyjnej aparatury, ale nie sposób go zobaczyć nawet pod najsilniejszym mikroskopem. „Kwazicząstki nie są materialne, ale przecież cząstki powstające podczas eksperymentów w akceleratorach takich jak LHC też nie są. Ważne, że eniony można zmierzyć i wykorzystać do wykonywania obliczeń” – mówił w wywiadzie dla magazynu „Nature” Alex Bocharov, matematyk i informatyk ze Station Q.
Od szyfrów po nowe leki
Oczywiście, konkurencja nie śpi i pracuje nad innymi rozwiązaniami. Przykładem może być kanadyjska firma D-Wave, która pierwszy procesor kwantowy pokazała 10 lat temu. Zawierał on zaledwie 16 kubitów, ale stanowił dowód na to, że taka technologia może działać. Najnowsze maszyny D-Wave mają ponad tysiąc kubitów, a używają ich m.in. Google i NASA (do badań nad sztuczną inteligencją), Harvard University (do badania struktury białek) oraz koncern Lockheed Martin.
D-Wave idzie innym tropem niż Microsoft. Kubity w jej komputerach to pętelki z nadprzewodników, w których płynie nieustannie prąd. Kwantowa natura polega na tym, że może on płynąć w lewo lub w prawo – a w superpozycji może płynąć w obie strony jednocześnie. Całość musi być chłodzona ciekłym helem i dobrze izolowana od środowiska zewnętrznego. Inaczej pojawiają się błędy, które sprawiają, że wyniki obliczeń stają się bezużyteczne. Dlatego komputery D-Wave to nadal maszyny eksperymentalne – służą raczej do testowania nowych metod obliczeniowych niż do rzeczywistych obliczeń.
Wiele firm inwestuje w nie już dziś, ponieważ ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją. Możliwość łamania szyfrów to tylko czubek góry lodowej. Komputery kwantowe mogą bardzo szybko przeszukiwać ogromne ilości danych. Pozwalają też na modelowanie złożonych zjawisk fizycznych czy biochemicznych, niezbędnych do tworzenia nowych materiałów, modeli zmian klimatu czy leków. „Kiedy w połowie XX wieku powstawały pierwsze tranzystory, uczeni nie mieli jeszcze pojęcia, do czego mogą zostać wykorzystane. Na pewno by nie przewidzieli, że dzięki nim powstaną np. smartfony. Dziś jesteśmy w podobnej sytuacji” – mówi Todd Holmdahl, wiceprezes Microsoftu nadzorujący prace nad technologiami kwantowymi. Najbliższe lata pokażą, do czego jeszcze będzie można je wykorzystać.
