Komputer kwantowy – zagadka przyszłości


27-05-2022 16:33:11

Komputery kwantowe to temat ogromnie złożony, mimo że do dziś naukowcy, fizycy i inżynierowie debatują nad tak – zdawałoby się – prostą kwestią, czy na świecie znajduje się działający komputer kwantowy, bo do tej pory wciąż nie udało nam się w pełni opanować w stopniu zadowalającym możliwości bitów kwantowych

Kwanty, butu, kubity

Co to jest w ogóle „kwant”? Nie jest to żaden obiekt fizyczny: mianem „kwantu” zwykło się w fizyce określać najmniejszą ,niepodzielną porcję czegoś. Można mieć więc „kwant mocy”, „kwant czasu” itp. Idąc tym tropem dojdziemy do takich określeń, jak „fizyka kwantowa” i „mechanika kwantowa”, czyli dziedziny nauki zajmujące się najmniejszymi możliwymi oddziaływaniami czy układami – na poziomie atomów, a nawet i pojedynczych kwarków. I tak dochodzimy do kubita (z ang. quantum bit), czyli bita kwantowego, a więc „najmniejszej i niepodzielnej jednostki informacji kwantowej”. Dochodzimy też do pierwszego punktu wyjaśniającego podobieństwa i różnice, jak klasyczne komputery (wykorzystujące bity) i komputery kwantowe (wykorzystujące kubity) wykonują obliczenia.

W klasycznych komputerach każda informacja zapisana jest jako ciąg zer i jedynek. Niezależnie, czy przeglądamy zdjęcia z wakacji, rozmawiamy ze znajomymi przez komunikator, gramy w najnowszą grę, czy wykonujemy zaawansowane obliczenia kryptograficzne z użyciem liczb pierwszych – wszystko dzieje się w języku binarnym, gdzie istnieje albo 0 albo 1 i nic więcej. Gdy dochodzimy do jego granicznych możliwości widzimy, jak bardzo nieefektywny jest to system. I niezależnie, czy brakuje nam miejsca na smartfonie na kolejne selfie, czy też naukowcy zmuszeni są tygodniami tworzyć modele matematyczne rozwoju pandemii, problem leży w tym, że zer i jedynek jest za dużo, a miejsca na ich przechowywanie oraz mocy na ich obliczanie – za mało.

Wrażliwe kubity

Problem ten rozwiązuje kubit. Ta porcja informacji wykorzystuje właściwości fizyki kwantowej, która pozwala mu trwać w tak zwanej superpozycji. Kubit może przybrać dowolną wartość od 0 do 1 – ma właściwości całego spektrum i w danej chwili może być np. w 30% zerem i w 70% jedynką. Pozwala to teoretycznie na zapisanie znacznie większej liczby informacji, czy też przyspieszenie obliczeń, ale wiąże się też z ogromem trudnych do opanowania, a nawet zrozumienia problemów.

Kolejną cechą komputerów kwantowych, która umożliwia dodatkowe skalowanie przyrostu mocy obliczeniowej, jest wykorzystanie splątania kwantowego. To stan, w którym dwa kubity są ze sobą połączone i zawsze, gdy będziemy obserwować jeden z nich, drugi będzie w dokładnie tym samym stanie. Splątanie pozwala grupować kubity w jeszcze bardziej wydajne jednostki zapisu i przetwarzania informacji.

Lecz kubity, na których oparte są komputery kwantowe, są bardzo wrażliwe fizycznie. Wszelkie wibracje czy zmiany pola elektromagnetycznego sprawiają, że tracą swoje właściwości i ulegają dekoherencji kwantowej. Wskazane zatem jest odizolowanie ich od otoczenia i utrzymania temperatury wewnątrz na poziomie zera absolutnego.

Opracowany przez IBM 20-kubitowy System One sam w sobie nie jest przełomem w rozwoju komputerów kwantowych. Przełomowe jest to, że jest pierwszym zintegrowanym systemem kwantowym możliwym do zastosowania komercyjnego. Nie wymaga tak sterylnych warunków, jak do tej pory i może stanąć obok innych systemów w centrum danych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Komputer kwantowy opracowany przez IBM

Splątanie kwantowe

W klasycznych komputerach dane zapisywane są w systemie binarnym. Bity, czyli podstawowe jednostki informacji, mogą przyjmować dwie wartości: 0 albo 1.Ten binarny układ w układach scalonych ma odzwierciedlenie w dwóch rodzajach wartości napięcia na tranzystorach. Te z kolei tworzą bramki logiczne. Wszelkie obliczenia opierają się właśnie na manipulowaniu stanami tranzystorów. Komputery kwantowe przechowują informację w postaci kubitów (bity kwantowe).Splątanie kubitów kwantowych umożliwia wykonywanie obliczeń na wszystkich wartościach równolegle, podczas gdy klasyczne komputery realizują obliczenia w określonej kolejności, jedna po drugiej. Dotyczy to także możliwości odczytania wszystkich możliwych rozwiązań (przy zastosowaniu wielu pomiarów, z uwagi na to że wynik końcowy jest uśrednieniem).Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, mogą także przyjmować obie wartości na raz. Ten proporcjonalny stan pośredni bycia między 0 a 1 nazywany jest superpozycją. W modelu binarnym mamy dwa rodzaje wartości: 0 lub 1. W modelu kwantowym występują skomplikowane splątania, gdzie kubity przyjmują po części wartość 0 i po części 1 w jednym momencie i są zależne od siebie.

Jeden kubit to dwie wartości. Dwa kubity to 4 wartości (00, 01, 10, 11), trzy kubity to już osiem splątanych ze sobą wartości (000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111), pięć kubitów to aż 32 stany, osiem–64 stany itd. Nie są to stany niezależne, dlatego mówi się o ich „splątaniu”.

Kubity są elementami większej całości. Wspólnie tworzą one rejestr kwantowy. Dane z rejestru są z kolei przetwarzane przez obwody kwantowe. Aby móc realnie korzystać z możliwości komputera potrzebne jest jakieś oprogramowanie, które wykorzystuje mechanikę kwantową (splątania, interferencje amplitud prawdopodobieństwa, superpozycję) oraz algorytmy oparte na rozkładzie prawdopodobieństwa i jego zmianie. Drugim fenomenem jest tzw. zakrzywienie kwantowe: w jednym układzie kubita możliwe jest połączenie stanów pojedynczych cząstek (fizycznie: zaplątać) Są one wówczas powiązane ze sobą jakby dłonią ducha. Dzięki tym fenomenom komputer kwantowy jest w stanie w każdym procesie przełączania wykonywać jednocześnie wiele działań arytmetycznych.

Kot Schödingera

Stany mechaniki kwantowej najlepiej obrazuje „kot Schödingera”. Schrödinger wymyślił urządzenie oddziałujące na hipotetycznego kota zamkniętego w pojemniku z trucizną. Do pojemnika wkłada się: żywego kota, źródło promieniotwórcze w postaci jednego nietrwałego atomu (który w wyniku rozpadu emituje cząstkę promieniowania jonizującego) oraz detektor promieniowania  Po upływie czasu połowicznego rozpadu charakterystycznego dla danego atomu istnieje pięćdziesięcioprocentowe prawdopodobieństwo, że kot jest martwy i takie samo prawdopodobieństwo, że jest nadal żywy. Z opisu kwantowo-mechanicznego wynika jednak coś innego – przed otwarciem pojemnika kot jest jednocześnie i martwy i żywy. Jako obiekt kwantowy znajduje się on równocześnie w każdym z możliwych stanów (tzw. superpozycji). Obecnie stosuje się teorię opisującą dekoherencję środowiskową niezdeterminowanej superpozycji do stanów mieszanych determinujących zachowania zgodnie z mechaniką klasyczną. Jest ona poparta eksperymentalnie i pozwala ominąć paradoks kota Schrödingera.

Eksperyment kłóci się ze zdrowym rozsądkiem, co wynika z faktu, że jest niemożliwy do przeprowadzenia w świecie makroskopowym. Przedmioty dostępne nam do obserwacji w naszej skali składają się z obiektów podlegających prawom mechaniki kwantowej. Jednak, ze względu na bardzo dużą liczbę tych obiektów, ich poszczególne stany uśredniają się, nie pozwalając obserwować efektów kwantowych. Koncepcja kota Schrödingera będąca zderzeniem klasycznych intuicji z regułami fizyki kwantowej niesie ze sobą intrygujące (choć pozorne) paradoksy.

Jest tu zero, ale także 1 a pomiędzy nimi każda możliwa wartość. Świat, który pokazuje nasze codzienne doświadczenia, ale też częściowo im zaprzecza. Powodem są stosowane nośniki informacji, takie jak atomy, fotony i elektrony, które nie podlegają klasycznym prawom świata makroskopowego. Obowiązują zasady mechaniki kwantowej, które mogą być wykorzystane, aby inaczej niż klasyczna mikroelektronika uzyskiwać i wykorzystywać dziwacznie wyglądające stany. Jedna z tych reguł to możliwe nakładanie się stanów.

Świat kwantów kieruje się własną logiką i w tym właśnie leży ich ogromna szansa.

Józef Trzionka/Erwin Halentz

W kolejnym numerze PT napiszemy więcej o możliwościach wykorzystania komputerów kwantowych.