Laboratorium IBM-Q

Laboratorium IBM-Q (fot. IBM Research)

Nadchodzi kwantowa rewolucja. "Komputery kwantowe zmienią wszystko, nawet biologię człowieka"

Wyobraź sobie świat, w którym mamy możliwość przetworzenia każdej, niezależnie jak olbrzymiej ilości danych w ułamku sekundy. Wypracowania rozwiązań najbardziej skomplikowanych problemów praktycznie od ręki. I taki, w którym sieć teleinformacyjna jest odporna na działania hakerów. Stoimy u progu drugiej rewolucji kwantowej, a fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego tworzą jej awangardę.

Technologie komputerowe rozwijają się tak szybko, że - jak wyliczył profesor Stanisław Mrówczyński - gdyby w podobnym tempie usprawniano samochody, to obecnie zużywałyby one litr paliwa na 600 tysięcy kilometrów, poruszałyby się z prędkością dwóch milionów kilometrów na godzinę, miałyby bagażniki o pojemności 1,5 miliona litrów i kosztowałyby 40 dolarów. Robi wrażenie, prawda? A co, jeśli to wciąż nie wszystko i możemy usprawnić komputery do poziomu przekraczającego bariery współczesnej elektroniki?

W kwantowej krainie cudów

"Komputer kwantowy" to termin, który rozpala wyobraźnię od czasu, gdy w 1981 roku Richard Feynman, fizyk i laureat Nagrody Nobla, przedstawił teoretyczny model działania takiego urządzenia w trakcie wykładu w Massachusetts Institute of Technology, jednej z najlepszych technicznych uczelni świata. Jego wykład był opowieścią o komputerze, który możliwościami będzie przewyższać każdą maszynę obliczeniową świata. Aby spróbować zrozumieć ten fenomen, zacznijmy od podstaw i zastanówmy się, czym w ogóle jest komputer oparty na technologii cyfrowej, czyli taki, jakiego używamy dziś.

fot. dwavesys.com
fot. dwavesys.com

Tak naprawdę to zaawansowany kalkulator, maszyna obliczeniowa używająca sekwencji bitów 0 i 1 określających dwa możliwe stany, jak włącz i wyłącz. Nie ma stanów pośrednich. Zero nie może być niczym poza zerem, a jedynka niczym poza jedynką, zupełnie jak coś nie może być jednocześnie włączone i wyłączone. Klasyczny komputer, taki, na jakim ja piszę ten tekst, a Państwo być może go czytają, pobiera dane będące ciągiem zer i jedynek, czyli bitów. Dane te przetwarzane są poprzez ustalony algorytm, czyli oprogramowanie procesora, i dają na wyjściu inną kombinację zer i jedynek. System binarny pozwala stworzyć z kombinacji bitów wszystkie cyfry, litery i znaki, jakie oglądamy na monitorze.

Współczesne procesory składają się z miliardów tranzystorów upakowanych na powierzchni mniejszej niż płytka paznokcia. Jest to możliwe, ponieważ nowoczesne tranzystory mają wielkości mierzone w nanometrach. Zgodnie z tzw. prawem Moore'a zaobserwowanym w 1960 roku liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się raz na dwa lata. I tempo to będzie spadało, ponieważ miniaturyzacja ma jednak pewne granice. Szczególnie że budowa coraz mniejszych procesorów wiąże się z ogromnym wzrostem kosztów.

- Komputery "klasyczne", oparte na tranzystorach, osiągają kres swojego rozwoju, ponieważ nie można już dużo bardziej zmniejszać tranzystorów ani też zwiększać częstotliwości ich pracy. Mają swoje ograniczenia, których nie jesteśmy w stanie obejść - tłumaczy dr Rafał Wcisło z Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Bardzo istotnym ograniczeniem z punktu widzenia nowych technologii, projektowania nowoczesnych materiałów o szczególnych właściwościach czy opracowywania składu leków precyzyjnie celujących w konkretną chorobę, jest czas niezbędny do wykonania obliczeń. W przypadku niektórych bardzo skomplikowanych i specjalistycznych badań wygląda to wciąż jak w filmie "Gra tajemnic": główny bohater, ojciec informatyki Alan Turing, wpisywał dane do swojej maszyny deszyfrującej i czekał, czekał, czekał, aż ta po długim czasie dała wynik. - Maszyna Turinga w swoich czasach była najlepszym sposobem złamania szyfru enigmy i przyczyniła się do zwycięstwa aliantów. Ale co, gdyby była zdolna wykonywać obliczenia wielokrotnie szybciej? Ile ludzkich istnień udałoby się dzięki temu uratować? - zastanawia się dr Rafał Wcisło.

I tutaj w sukurs przychodzą nam komputery kwantowe. Tylko czym one właściwie są? - Komputer kwantowy nie jest tylko zaawansowaną wersją obecnych komputerów, tak jak żarówka nie jest jedynie silniejszą świecą. Nie można zbudować żarówki przez tworzenie coraz lepszych świec. Żarówka to inna technologia, oparta na głębszym rozumieniu naukowym. Podobnie komputer kwantowy jest nowym typem urządzenia, opartym na fizyce kwantowej, i tak jak żarówka zmieniła społeczeństwo, komputery kwantowe mają potencjał wpłynąć na wiele aspektów naszego życia, w tym potrzeby bezpieczeństwa, służbę zdrowia, a nawet Internet - wyjaśnia w wykładzie z cyklu TED badająca zjawiska kwantowe doktor astrofizyki Shohini Ghose.

Jak działa komputer kwantowy, wyjaśnia doktor Ghose na podstawie losowej gry w orła i reszkę: - Zwykły komputer symuluje orła lub reszkę jako bit: zero lub jedynkę, czyli prąd włączany lub wyłączany w czipie. Komputer kwantowy jest zupełnie inny. Bit kwantowy ma bardziej płynną, niebinarną tożsamość. Może istnieć w superpozycji lub w kombinacji zera z jedynką, gdzie zero lub jedynka to kwestia prawdopodobieństwa. Innymi słowy, plasuje się na skali. Na przykład może być zerem na 70 procent, a jedynką na 30, albo 80-20 procent lub 60-40 procent. Możliwości jest nieskończenie wiele. Kluczowe jest to, że trzeba zrezygnować z dokładnych wartości zera i jedynki i dopuścić niepewność.

fot. dwavesys.com
fot. dwavesys.com

Koniec świata hakerów

Tak jak w przypadku "klasycznych" komputerów, istnieje też kwantowy hardware i software. Hardware to dwie platformy: D-Wave, autorstwa D-Wave Systems, oraz stworzony przez IBM komputer IBM "Q". Są to wielkie szafy bardziej przypominające pierwsze "klasyczne" komputery niż na przykład nasze smartfony. Ich rozmiary nie wynikają z posiadania szalonej liczby mikroprocesorów, które trzeba gdzieś upchać, lecz są spowodowane wymaganiami procesora kwantowego, który pracuje w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego, czyli 0 Kelwina, co odpowiada -273,15 stopni Celsjusza. Ta ogromna szafa ma właśnie utrzymywać procesor w odpowiednich warunkach. Jakby tego było mało, wewnątrz "szafy" musi być ciśnienie 10 miliardów razy niższe od ciśnienia atmosferycznego...

- Aby można było pracować na D-Wave albo "Q", potrzebne jest kwantowe oprogramowanie - mówi dr hab. Magdalena Stobińska, która na Uniwersytecie Warszawskim prowadzi Grupę Badawczą Kwantowych Technologii i wraz ze swoim zespołem współtworzyła zgłoszone do Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU z siedzibą w Genewie) rekomendacje pierwszych standardów protokołów kwantowych. Brzmi zawile? Spróbujmy wyjaśnić.

IBM-Q System One (fot. IBM Research)
IBM-Q System One (fot. IBM Research)

Wszystkie wykorzystywane urządzenia muszą spełniać pewne wymogi, pewne oczekiwania użytkownika. I chcemy, aby wszystkie urządzenia danego rodzaju działały podobnie oraz były ze sobą kompatybilne. Weźmy smartfony: nie interesuje nas, jakiej marki smartfon mamy w kieszeni, ważne, by działał w sposób, jaki od niego oczekujemy, czyli pozwalał prowadzić rozmowy telefoniczne, surfować po sieci, robić zdjęcia, odczytywać przesyłane nam przez innych dane. Nie interesowałoby nas urządzenie, nawet najbardziej innowacyjne, ale niekompatybilne z innymi analogicznymi urządzeniami i na przykład nieodbierające przesyłanych z nich danych. Podobnie ma się sprawa z urządzeniami kwantowymi: należy stworzyć standardy protokołów kwantowych, które mają służyć właśnie ujednoliceniu sposobu zapisu czy przesyłu danych. Mają być pewnego rodzaju uniwersalnym językiem. - Tego typu rekomendacje odnoszą się między innymi do kwestii bezpieczeństwa. Bezpieczeństwa całkowitego, bo gwarantowanego prawami fizyki - mówi dr hab. Stobińska.

Że bezpieczeństwo jest ważne, o tym nie trzeba nikogo przekonywać. Cała nasza współczesność opiera się na ogromnych bazach danych, w których znajduje się wszystko: nasze dane medyczne, ulokowane w bankach oszczędności, dokumenty. Praktycznie każdy aspekt naszego życia i pracy ma zaczepienie w świecie cyfrowym, a często jest od niego bezpośrednio zależny. A teraz uświadommy sobie, że skoro cały czas działamy na "tradycyjnych komputerach" i w systemie binarnym, oznacza to, że nasze dane zabezpieczane są metodą opartą na generowaniu tak naprawdę pseudolosowych liczb - wciąż są one generowane z pewnego określonego klucza, algorytmu. Złamanie takich zabezpieczeń nie jest proste, ale też nie jest niemożliwe.

- To nie dotyczy kodu generowanego przez układ kwantowy, ponieważ losowość jest jego podstawową wartością. Bazy danych czy każda inna aktywność człowieka zapisana w postaci zaszyfrowanej będzie nie do zhakowania, gwarantując pełne bezpieczeństwo - wyjaśnia dr hab. Magdalena Stobińska. - Ponadto dzięki mechanice kwantowej możliwa jest bezwarunkowo bezpieczna wymiana kluczy szyfrujących, co jest bardzo ważne przy przesyłaniu danych przez systemy telekomunikacyjne. Prawa fizyki gwarantują, że każda próba przechwycenia klucza szyfrującego przesyłanego kanałem kwantowym zostanie wykryta. Dzięki temu na przykład oddziały banku będą mogły bezpiecznie dostarczyć dane naszych transakcji do centrali. Takie rozwiązania oparte na światłowodach już teraz są oferowane komercyjnie przez start-upy zajmujące się technologiami kwantowymi, a naukowcy na całym świecie, np. w Chinach, we Włoszech czy w Austrii, eksperymentują z podobnymi systemami satelitarnymi. Na Wydziale Fizyki UW także opracowujemy własne rozwiązania w tej dziedzinie.  

Człowiek odkodowany

"Świat zmienia się w coraz szybszym tempie, w miarę jak ludzie, urządzenia i informacje stają się elementami coraz gęstszej sieci wzajemnych połączeń. Moc obliczeniowa nieustannie wzrasta i jesteśmy już bardzo blisko korzystania z obliczeń kwantowych. Zrewolucjonizują one domenę sztucznej inteligencji poprzez eksponencjalne [rosnące w zawrotnym tempie - przyp. red.] zwiększenie szybkości przetwarzania informacji. Umożliwią również wielokrotnie wyższy stopień szyfrowania. Komputery kwantowe zmienią dosłownie wszystko, nawet biologię człowieka" - napisał w swojej ostatniej książce "Krótkie odpowiedzi na wielkie pytania" zmarły w ubiegłym roku Stephen Hawking, odnosząc się do możliwości edycji genomu i manipulacji genami mającej ustrzec przed chorobami genetycznymi. Doktor Magdalena Stobińska jest przekonana, że poza możliwościami szyfrowania to właśnie badania medyczne będą tym, co zostanie zrewolucjonizowane przez komputery kwantowe.

2000Q Systems (fot. dwavesys.com)
2000Q Systems (fot. dwavesys.com)

Grupa dr Stobińskiej wraz z badaczami z Oxfordu opracowała metodę, która pozwoli uzyskać wyjątkowo precyzyjny obraz pokazujący nawet niewielkie zmiany w ciele człowieka, zwykle nierejestrowane przez funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, a to przyczyni się do postępów w neurobiologii. W dodatku wszystkie dane i analizy dostępne byłyby od ręki, ponieważ komputery kwantowe mają potencjał, by wykonywać nawet najbardziej skomplikowane obliczenia natychmiast. Byłoby to niemalże jak medyczny tricorder używany w filmach z serii "Star Trek". Lekarz pokładowy przesuwa tricorder, skanując pacjenta, po czym natychmiast otrzymuje wszystkie dane. Co więcej, dzięki badaczom z UW ma szansę spełnić się nie tylko ten sen miłośników science fiction. Każdy, kto choć raz oglądał "Star Treka", bez wątpienia marzył o posiadaniu własnego teleportera...

No dobrze, nie będzie to słynne "Beam me up, Scotty", po którym kapitan Kirk dematerializuje się w jednym, a jednocześnie materializuje w innym miejscu, a kwantowe przeniesienie na odległość stanu cząstek, czyli informacji. Ale z drugiej strony informacja jest wszystkim, a wszystko jest informacją... - Żyjemy w świecie informacji, a informacja jest wartością fizyczną, pewnym bytem - przypomina dr Stobińska.

Nieznane w świecie klasycznym kwantowe korelacje umożliwiają teleportację oraz sterowanie stanem cząstek na dowolną odległość. Niemal jak startrekowe teleportery. Jest to możliwe dzięki kwantowemu splątaniu. Bo kiedy raz cząstki ulegną splątaniu, to później, niezależnie od dzielącej je odległości, zachowują się wciąż jednakowo. - Wyobraźmy sobie taką zabawę. Siadamy przy stole i gramy w orzeł czy reszka. Nasze monety - ekwiwalenty cząstek, na przykład fotonów - ulegają splątaniu ze sobą w trakcie tej gry. Później pani przenosi się na przykład na Marsa, a ja zostaję na Ziemi lub udaję się do jeszcze innej kosmicznej lokalizacji. Każda z nas ma wciąż ze sobą monetę, której używała do gry. Żadna z nas nie może przewidzieć, jak moneta upadnie, ale możemy być pewne, że za każdym razem, gdy ja podrzucę swoją monetę, pani moneta upadnie tak samo, i to w dokładnie tej samej chwili, niezależnie od tego, jak daleko od siebie będziemy. Jest to skorelowana losowość. Tak działa splątanie kwantowe - tłumaczy dr Stobińska. - Kwantowe sterowanie cząstkami wykorzystuje tę własność. Można je porównać do zabawy marionetką, gdzie rolę niewidzialnych sznurków pełnią właśnie kwantowe korelacje.

Stephen Hawking w 2006 roku (fot. Shutterstock)
Stephen Hawking w 2006 roku (fot. Shutterstock)

Kwantowa chmura

No dobrze, ale czy to wszystko oznacza, że nasze pecety i maki odejdą do lamusa? Czy technologia binarna zostanie zapomniana tak jak telegram? Szczęśliwie dla nas - nie. Albo prawdopodobnie nie. Przede wszystkim dlatego, że współczesne komputery to całkiem wydajne urządzenia, zdecydowanie wystarczające do większości czynności, jakie im powierzamy. Wielkich szaf, jakimi są D-Wave czy IBM "Q", nie będziemy trzymać w domu, ale też pamiętajmy, że aby korzystać z komputera kwantowego, wcale nie musimy go posiadać. Wystarczy mieć do niego dostęp. Choćby przez Internet...

- Przywykliśmy do rozumienia komputera jako pewnej fizycznie istniejącej skrzynki wykonującej obliczenia. Skrzynki, którą trzymamy pod biurkiem lub na kolanach. A nasze laptopy czy smartfony to tylko fizyczna implementacja technologii, pewnej metody, nie sama metoda - przypomina dr hab. Magdalena Stobińska. I dodaje: - Komputer kwantowy może funkcjonować w chmurze. Aby z niego skorzystać, wystarczy wykupić dostęp i przesłać dane. Komputery kwantowe nie znają barier liczby wykonywanych obliczeń, co oznacza, że jeden komputer mógłby być jednocześnie wykorzystywany przez wielu użytkowników

fot. dwavesys.com
fot. dwavesys.com

Doktor Stobińska wspomina, że na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, w jej macierzystej jednostce, rozwijane jest laboratorium kwantowe podążające za najnowszymi osiągnięciami technologii fotonicznej i dorównujące możliwościami najlepszym światowym instytucjom badawczym. - Laboratorium to jest wyposażone w najnowsze lasery i detektory, którymi my, naukowcy, możemy sprawdzać w praktyce, jak działają opracowane przez nas technologie kwantowe, na przykład generatory liczb losowych, protokoły bezpiecznego przesyłania informacji, a także np. elementy składowe komputerów kwantowych. Moim mottem jest tworzenie rozwiązań praktycznych, które będą mogły być dalej rozwijane w kierunku ich komercjalizacji. Pierwsze kroki w tym kierunku już uczyniłam, zgłaszając pierwszy nasz wynalazek do Urzędu Patentowego. Dzięki laboratorium Wydział Fizyki UW należy do elitarnych instytucji badawczych, w których wykonuje się takie eksperymenty.

Dziękujemy, że przeczytałaś/eś do końca nasz artykuł. Jeżeli Ci się podobał, to wypróbuj nasz nowy newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

KLIKNIJ, BY ZAPISAĆ SIĘ NA NEWSLETTER >>>

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka. Dziennikarka i redaktorka zajmująca się głównie tematyką popularnonaukową. Związana m.in z Życiem Warszawy i Weekend.Gazeta.pl oraz z Magazynem Wirtualnej Polski.

Polub Weekend Gazeta.pl na Facebooku

Komentarze (149)
Zaloguj się
  • tztz3

    Oceniono 15 razy -9

    Kolejny powód, żeby nie mieć dzieci. Świat już jest koszmarem, a dzieki komputerom kwantowym i AI będzie jeszcze znacznie gorzej.

  • nwowatch

    Oceniono 7 razy -7

    Jak by sobie europejska nauka poradziła bez tych milionów profesorów z Sudanu?

  • klex4

    Oceniono 8 razy -4

    Kto to pisał? Jakieś dziecko? Jak ciśnienie może być "10 miliardów razy niższe od ciśnienia atmosferycznego"?
    Że niby ciśnienie ujemne?

  • wlodzimierz.il

    Oceniono 9 razy -3

    >Kluczowe jest to, że trzeba zrezygnować z dokładnych wartości zera i jedynki i dopuścić niepewność.

    Wyniki pracy komputera kwantowego będą więc niepewne, trzeba dopuścić, że tylko czasami poda prawidłowe wartości.
    O to chodzi?

  • baby1

    Oceniono 14 razy -2

    "Jak działa komputer kwantowy ?" Problem w tym, że nie działa.
    "Komputery kwantowe zmienią wszystko"? Zmienią niewiele, bo sukces komputerów wcale nie polega na tym, że liczą szybciej od człowieka, ale że trafiły pod przysłowiowe strzechy. Jakie znaczenie może mieć dla przysłowiowego Johna Smitha może mieć, że komputer będzie działał 100 szybciej. W obecnej technologii i tak nie jesteśmy w stanie wykorzystać więcej niż 10% możliwości komputerów osobistych.
    Co ma wspólnego " metoda, która pozwoli uzyskać wyjątkowo precyzyjny obraz pokazujący nawet niewielkie zmiany w ciele człowieka" z możliwościami komputerem? Przecież to jest kwestia urządzenia peryferyjnego.

    Spokojnie. To tylko propaganda aby wyciągnąć pieniądze. Kolejny grafen.

  • yosemitesam

    Oceniono 10 razy -2

    Padre Rydzyk zmówi modlitwę, żeby te kwantowe 'lewactwo' nie zakłócało mu widoku z okna.

  • xegar

    Oceniono 3 razy -1

    Kilka ładnych zdjęć i co najmniej marny artykuł. Autorka pozbierała kawałki i ulepiła z nich coś, zupełnie tego nie rozumiejąc. Na przykład brakło informacji, że "kwantowa moneta" jest jednocześnie orłem i reszką. Badając jakiś problem przy pomocy takich monet (nazywanych qbitami) możemy analizować obie sytuacje jednocześnie, co już przy stosunkowo niewielkich ilościach qbitów pozwala sprawdzić masę kombinacji. Komputer kwantowy o 268 qbitach teoretycznie byłby w stanie wskazać konkretny atom w całym Wszechświecie na podstawie jego skróconego opisu.

    Artykuł może stworzyć błędne wyobrażenie, że problem tkwi w binarności naszych komputerów. Komputery analogowe istniały przed cyfrowymi, sami takich używamy od dawna (to nasze mózgi), ale one operują na jednej wartości w danym momencie. Nieciągłej, reprezentującej kilka-kilkanaście bitów, ale tylko jednej NARAZ.

    Nie powinno się stawiać w jednym rzędzie komputerów D-Wave i IBM. Pierwsze na pierwszy rzut oka wydają się lepsze, bo oferują setki razy większą liczbę qbitów niż komputery IBM. Problem w tym, że komputery kwantowe D-Wave nie są klasycznymi komputerami kwantowymi, w przeciwieństwie do tych z IBM. D-Wave stosuje tzw. quantum annealing, kóry ogranicza liczbę możliwych zastosowań. Używając D-Wave możemy nasze kwantowe monety w dobrze kontrolowany sposób podrzucić i patrzeć jak upadną, ale nie możemy z nich zbudować dowolnej konstrukcji.

    Co to wszystko oznacza w praktyce? Do szyfrowania informacji w Internecie i udowadniania naszej tożsamości stosuje się kody, które są w stanie potwierdzić nadany przez nas komunikat na podstawie publicznie dostępnej informacji, gdy ją zaszyfrujemy kodem posiadanym tylko przez nas. Nie ma możliwości uzyskania naszego tzw. klucza prywatnego na podstawie dostępnej publicznie jego części. A dokładniej, jest to obliczeniowo niewykonalne, bo musielibyśmy - wracając do przykładu z atomem - sprawdzać wszystkie atomy we Wszechświecie, żeby znaleźć ten odpowiadający opisowi. Tymczasem komputer kwantowy będzie w stanie nam znaleźć go natychmiast.

    A zatem, wraz z kwantową rewolucją, przestaniemy być jedynymi właścicielami naszej tożsamości, bo będzie można ją w razie potrzeby wygenerować. Stracimy tajemnicę korespondencji. Wartość naszych bitcoinów spadnie do zera, bo zamiast pracowitego kopania, kwantowy komputer wypluje wszystkie możliwe taśmowo. Dlatego warto w niego inwestować kasę.

    Fajna perspektywa?

Aby ocenić zaloguj się lub zarejestrujX