Komputery kwantowe dla opornych. Czym są, jak działają i jakie mają zastosowania?

Komputer kwantowy to pojęcie, które z uwagi na ostatnie osiągnięcia Google'a bardzo często zaczęło się pojawiać w mediach. Mówi się o przełomie w nauce i niesamowitej wydajności. Ale czym tak naprawdę jest komputer kwantowy, jak działa i jakie ma zastosowania? Niniejszym postaram się w klarowny sposób odpowiedzieć na te pytania.

Artykuł powstał z myślą o osobach stawiających w świecie matematyki i fizyki pierwsze kroki. Jeśli wiesz, czym jest układ kwantowy i przez sen recytujesz definicję superpozycji, to nie znajdziesz tu nic ciekawego, ale do lektury i tak zachęcam ;)

Każdy z nas ma choć jednego takiego znajomego, który podejmuje decyzje w sposób sprawny i konkretny. Nazwijmy go na potrzeby przykładu Krzysztofem.

Krzysztof zawsze wie, czego chce. Zaproponuj mu wyjście na piwo, a odpowie bez owijania w bawełnę: tak lub nie. W terminologii informatycznej moglibyśmy powiedzieć, że Krzysztof jest zero-jedynkowy. Nie uznaje rozwiązań pośrednich i precyzyjnie wskazuje swoje chęci, rozpatrując tylko dwa skrajne przypadki. Albo się na coś zgadza, albo tego odmawia.

Analogicznie działają znane nam komputery, od laptopa na biurku aż po klastry obliczeniowe w laboratoriach NASA. Komputer mówi tak lub nie. Innej opcji nie ma, co w jego pamięci jest reprezentowane liczbami, odpowiednio, 1 oraz 0.

Jak więc radzi sobie z obsługą innych większych liczb? – zapytacie. To bardzo proste: stosuje tzw. system dwójkowy. My ludzie na co dzień używamy systemu dziesiętnego, operując cyframi w przedziale od 0 do 9 i łącząc je ewentualnie w liczby. W systemie dwójkowym liczby rozbija się na sumę potęg 2. Miejsca, gdzie reprezentowane są kolejne potęgi 2, nazywa się bitami – a im jest ich więcej, tym większe liczby może zapisać komputer.

Komputer kwantowy działa zupełnie inaczej. Nie ma bitów, ale tzw. kubity, które mówiąc obrazowo, mogą przyjmować nieskończenie wiele wartości pomiędzy 1 a 0. Są to jednak wartości specyficzne. Nie wyznaczają ułamków, a stopień prawdopodobieństwa, z jakim wydarzy się 1 lub 0.

Wracając do przykładu z Krzysztofem, każdy zna też takiego – dajmy na to – Jaśka, który na zadane jemu pytania odpowiada w stylu: nie wiem czy domyśl się. W efekcie trzeba zgadywać, o co Jaśkowi chodzi. Czy jego żądanie domyślenia się to bardziej tak, czy bardziej nie. Ktoś, kto Jaśka dobrze zna, zapewne poradzi sobie z zadaniem. W dodatku otrzyma dodatkową informację na temat jego obecnego samopoczucia i nastawienia.

Przy czym rozwiązanie problemu Jaśka tak naprawdę nie istnieje. Nie ma do niego klucza. Jest kwestią możliwości i pewnego prawdopodobieństwa.

Dlatego też komputery klasyczne i kwantowe nie są porównywalne. Podczas gdy te pierwsze w konkretny sposób rozwiązują dane problemy, te drugie są oparte na losowości i zmianach układu w czasie. Matematycy nazywają to podejściem probabilistycznym.

Istnieje taka kategoria algorytmów, które w teorii maszyna kwantowa powinna rozwiązywać znacznie sprawniej niż klasyczna. Podkreślmy jednak, że mowa tu o teorii, gdyż brakuje namacalnego potwierdzenia tej hipotezy.

Poszukując określonej wartości w zbiorze, zamiast przeszukiwać zbiór wartość po wartości, komputer kwantowy mógłby dynamicznie zawężać zakres poszukiwań. Domyślać się, gdzie należy szukać prawidłowego rozwiązania. Niektórzy sądzą, że rozwój tego rodzaju sprzętu osłabi stosowane dzisiaj zabezpieczenia, gdyż łatwo poradzą sobie z odgadnięciem kluczy szyfrujących. Ale to melodia przyszłości. W 2011 roku jako wielki sukces układu kwantowego ogłoszono, że udało się dokonać rozkładu na czynniki pierwsze (zapisać jako iloczyn liczb pierwszych) liczby 21. A to coś, co uczeń podstawówki robi w pamięci.

Chcąc udowodnić wyższość komputera kwantowego nad klasycznymi, Google uciekł się do zadania iście abstrakcyjnego. W ramach eksperymentu sprawdzono, jak kubity wpływają na siebie nawzajem. Komputer kwantowy dokonał tego w 2 minuty, podczas gdy najwydajniejszy na świecie superkomputer klasyczny, IBM Summit, potrzebował 36 godzin (pierwotną informację o 10 tys. lat szybko zdementowano). Brzmi imponująco, prawda? Niemniej wykorzystanie komputerów kwantowych nie tyle w codziennym użytku, co nawet do celów naukowych, wciąż jest kwestią lat.