O komputerach kwantowych słyszy się albo zachwyty, albo ostrzeżenia. Jedni twierdzą, że rozwiążą każdy problem świata, inni straszą, że w jedną noc złamią wszystkie hasła. Prawda leży pośrodku i jest ciekawsza od obu skrajności. Temat dotyczy także Polski, bo pierwsze takie maszyny pracują już w Poznaniu i we Wrocławiu.
Jak liczy komputer kwantowy?
Zwykły komputer pracuje na bitach, które działają jak przełączniki: włączony oznacza jedynkę, wyłączony zero. Zdjęcia, arkusze i filmy sprowadzają się do ogromnej liczby takich zer i jedynek. Nikt tego nie widzi, bo procesor wykonuje miliardy podobnych operacji w każdej sekundzie. Maszyna kwantowa korzysta z praw fizyki obowiązujących w skali atomów i zamiast bitów ma kubity.
Kubit jak moneta w powietrzu
Moneta leżąca na stole pokazuje orła albo reszkę, tak jak bit. Kubit przypomina monetę, która wiruje w powietrzu: dopóki nie spadnie, jest po trosze jednym i drugim. Fizycy nazywają ten stan superpozycją. Dzięki niemu maszyna bada wiele możliwości naraz, zamiast sprawdzać je po kolei.
Splątanie i delikatność kubitów
Dwa splątane kubity są powiązane tak, że wynik jednego od razu mówi coś o drugim, nawet gdy dzieli je duża odległość. Połączenie superpozycji i splątania daje przewagę w wybranych zadaniach. Kubity są jednak bardzo wrażliwe. Wystarczy drobna zmiana temperatury, wibracja albo pole magnetyczne, żeby obliczenia się posypały. Dlatego wiele takich urządzeń pracuje w chłodzie większym niż ten, który panuje w przestrzeni kosmicznej.
Maszyny, o których było głośno
Liczba kubitów rośnie z roku na rok, choć sama nie przesądza o możliwościach. Równie ważne jest to, jak długo kubity utrzymują swój stan i jak często się mylą.
| Maszyna | Liczba kubitów | Z czego jest znana? |
| Sycamore, Google | 53 | głośny eksperyment z 2019 roku |
| Condor, IBM | 1121 | pierwszy procesor z ponad tysiącem kubitów |
| Willow, Google | 105 | postęp w korygowaniu błędów |
| PIAST-Q, Poznań | ok. 20 | europejska maszyna oparta na uwięzionych jonach |
| Odra 5, Wrocław | 5 | pierwszy komputer kwantowy na polskiej uczelni |
Mniejsza liczba w nowszej maszynie nie oznacza kroku wstecz. Inżynierowie wolą dziś sto kubitów, które rzadko się mylą, niż tysiąc zawodnych. Wszystkie te urządzenia zajmują osobne pomieszczenia, choć sam układ z kubitami bywa mniejszy od paznokcia.
Gdzie kwantowe maszyny mogą pomóc?
Nie są to po prostu szybsze komputery. Sprawdzają się tam, gdzie liczba możliwych kombinacji rośnie tak gwałtownie, że nie radzą sobie nawet największe superkomputery. Naukowcy najwięcej obiecują sobie po symulowaniu cząsteczek, które może skrócić lata pracy nad nowymi lekami. Podobne obliczenia posłużą do projektowania lepszych baterii, paneli słonecznych i lżejszych stopów metali. Firmy farmaceutyczne i motoryzacyjne testują już takie obliczenia razem z producentami sprzętu.
Drugą grupą zadań jest optymalizacja: planowanie tras tysięcy ciężarówek, układanie rozkładów lotów albo ocena ryzyka w finansach. W większości tych dziedzin mowa wciąż o przyszłości. Obecne maszyny mają za mało stabilnych kubitów, żeby w użytecznych zadaniach wygrać z klasycznymi, więc przełomu należy oczekiwać raczej za kilka lat niż za kilka miesięcy.
Szyfrowanie: realne wyzwanie, ale bez paniki
Większość zabezpieczeń w internecie opiera się na matematyce, której zwykły komputer nie potrafi szybko odwrócić. Rozłożenie bardzo dużej liczby na czynniki pierwsze zajęłoby mu tysiące lat. Duża i stabilna maszyna kwantowa mogłaby to zrobić znacznie szybciej, więc część obecnych metod przestałaby wystarczać.
Sprawa dotyczy każdego użytkownika sieci. Najlepiej widać to przy logowaniu: hasło wpisane w banku, w poczcie albo w verde casino login formularzu wędruje przez sieć zaszyfrowane właśnie w ten sposób. Specjaliści przygotowują się na zmianę od dawna. Pierwsze algorytmy postkwantowe, odporne także na nowe maszyny, zostały już zatwierdzone jako standard i stopniowo trafiają do przeglądarek, systemów operacyjnych i komunikatorów. Przeciętna osoba najpewniej tej wymiany nie zauważy, bo dokona się przy zwykłych aktualizacjach. Niektóre komunikatory informują już o takiej ochronie w opisie aplikacji.
Czego komputery kwantowe nie zmienią?
Wokół tej technologii narosło sporo mitów. Kilku rzeczy nie należy się po niej spodziewać:
- nie trafi do kieszeni, bo wymaga skrajnego chłodzenia i osobnego pomieszczenia;
- nie przyspieszy przeglądania internetu ani gier, w których zwykły procesor jest szybszy i tańszy;
- nie zastąpi klasycznych komputerów, tylko będzie pracować obok nich;
- nie rozwiąże każdego problemu, bo przewagę daje jedynie w wybranych obliczeniach;
- nie jest nieomylna, a jej wyniki trzeba sprawdzać.
Najbardziej prawdopodobny scenariusz wygląda tak: firmy i ośrodki badawcze korzystają z mocy kwantowej przez internet i płacą za czas obliczeń. Zwykły użytkownik zobaczy efekty pośrednio, w postaci nowego leku albo lepszej baterii w telefonie.
Co to oznacza dla Polski?
Na krajowych uczelniach i w instytutach działają zespoły zajmujące się fizyką kwantową, kryptografią i oprogramowaniem dla nowych maszyn. Polscy naukowcy uczestniczą w europejskich projektach, a oba komputery z tabeli służą badaczom z całego kraju. Poznańska maszyna jest częścią europejskiej sieci superkomputerów, więc korzystają z niej także zespoły z zagranicy. Dostęp odbywa się zdalnie, dlatego badacz nie musi w tym celu wyjeżdżać ze swojego miasta.
Dla młodych Polaków to sygnał, że matematyka, fizyka i informatyka dają ciekawe perspektywy. Specjalistów od algorytmów kwantowych jest na świecie niewielu, a zapotrzebowanie rośnie. Nie trzeba przy tym budować kubitów. Potrzebni będą też programiści, analitycy i eksperci od bezpieczeństwa, którzy przełożą tę technologię na codzienne zastosowania.
