Kwantowa przyszłość informatyki

Czym jest „supremacja kwantowa" i dlaczego za sprawą amerykańskiej firmy Google jest o niej tak głośno w ostatnich dniach? Supremacja kwantowa to potencjalna zdolność kwantowych urządzeń komputerowych do rozwiązywania problemów, których klasyczne komputery praktycznie nie potrafią wykonać. Najistotniejszą ich zaletą jest szybkość wykonywania operacji obliczeniowych. Ta złożoność obliczeniowa procesów wykonywanych przez komputer kwantowy oznacza generalnie wielobiegunowe przyspieszenie w stosunku do najlepszego istniejącego klasycznego algorytmu, który wykorzystuje system binarny.

Obecne komputery, które dla porównania z maszynami kwantowymi już zaczynają być nazywane „klasycznymi", wykonują wszelkie obliczenia za pomocą zer i jedynek. Innymi słowy: „mózgiem" każdego komputera, tabletu czy smartfona jest procesor, który dokonuje obliczeń, zamieniając wszelkie liczby i litery w ciągi zer i jedynek, z których jedynki oznaczają przepływ prądu, a zero jego brak. Dzięki temu pozornie prostemu mechanizmowi można „układać" przepływ prądu lub jego brak w różne kombinacje. Każda jedynka lub zero to bit – podstawowa, najmniejsza porcja informacji.

W komputerze kwantowym podstawową jednostką informacji jest natomiast kubit, którego nazwa jest skrótem od zwrotu ,,quantum bit". Mówiąc bardzo skrótowo: kubit opisuje pewien układ kwantowy, o którym nie możemy uzyskać pełnej informacji bez zaburzenia go poprzez pomiar. Podobnie jak w słynnym eksperymencie myślowym zaproponowanym przez austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, gdzie kot zamknięty w pudełku ze śmiercionośnym gazem jest zawsze żywy lub martwy do czasu otwarcia pudełka i dokonania pomiaru, kubit jest jednocześnie zerem i jedynką. Fizyka kwantowa nazywa taką sytuację superpozycją stanów. Jest ona bardzo nietrwała. Nawet najmniejszy kontakt z otoczeniem powoduje, że w ułamku sekundy układ wypada ze stanu superpozycji do stanu stacjonarnego. Takie zjawisko fizycy nazywają dekoherencją. Stanowi ona największą przeszkodę w pracy maszyn kwantowych. Wygląda jednak na to, że wielkie koncerny informatyczne znalazły metodę pozwalającą zapanować nad tym zjawiskiem.

Superprocesor Sycomore

To, co rozróżnia komputery kwantowe i klasyczne, to niezwykła szybkość wykonywanych operacji obliczeniowych. Informatycy przewidywali, że takie kwantowe maszyny będą zdolne przeprowadzać w ciągu kilku sekund operacje liczbowe, które komputerom tradycyjnym zajmą nie lata, ale tysiące lat. Do niedawna był to jednak jedynie obszar domysłów i spekulacji naukowych. Dzisiaj śmiałe marzenia wydają się stawać rzeczywistością.

W zeszłym roku koncern Google zaprezentował 72-kubitowy chip kwantowy o nazwie Bristlecone. Już wówczas mówiono, że amerykańska firma wkrótce osiągnie kwantową supremację, prześcigając swoją konkurencję. 20 września 2019 roku „Financial Times" poinformował, że przedstawiciele Google'a potwierdzili, że ich koncern osiągnął supremację kwantową. Potwierdzała to kopia dokumentu koncernu Google wysłanego do NASA, a podpisanego przez fizyka Johna Martinisa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Z treści tego pisma, do którego dotarli dziennikarze portalu internetowego „Fortune", wynikało, że Google posiada 54-kubitowy procesor o nazwie Sycomore, w którym 53 kubity są funkcjonalne. Sycomore wygenerował przypadkowy rozkład liczb w systemie dwójkowym, a następnie zdołał go błyskawicznie sprawdzić i potwierdzić wynik. Cały ten proces zajął zaledwie 200 sekund. Dla porównania, podobna operacja obliczeniowa wykonana przez największy i najszybszy „klasyczny" superkomputer Summit należący do IBM zajęłaby 10 tysięcy lat.

Informacja o tym przełomowym obliczeniu została na kilka godzin zamieszczona na stronie internetowej NASA. Ale ku zdumieniu internautów z niewiadomych przyczyn administrator strony usunął ją po kilku godzinach.

Niezwykła wizja Feynmana

Twórca relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej prof. Richard Feynman często powtarzał: „Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej". Podczas jednego ze swoich osławionych wykładów o mechanice kwantowej na Massachusetts Institute of Technology zaprezentował teoretyczny model działania urządzenia, które nazwał komputerem kwantowym. Wówczas uznano tę koncepcję za fantastykę naukową. Feynman próbował przekonać słuchaczy, że do przekształcenia systemu kwantowego w klasyczny model komputerowy wykorzystać można wiele zjawisk rządzących życiem atomów i mniejszych cząstek elementarnych, takich jak: zasada nieoznaczoności i superpozycja. Pierwsza, sformułowana przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga, oznacza, że nie ma żadnej możliwości precyzyjnego określenia położenia i pędu cząstki, a więc jej komplementarnej własności. Taka cząstka ma też inną zdumiewającą własność, która na pierwszy rzut oka wydaje się nielogiczna. Może pozostawać w superpozycji, czyli być w różnych stanach naraz. Jest zatem falą i cząstką stałą w tym samym momencie, aż do czasu, gdy ktoś dokona jej obserwacji i tym samym natychmiast zredukuje jej własność do tylko jednego stanu.

Wyobraźmy sobie (choć to przykład bardzo niedoskonały, ze względu na fakt, że mechanika kwantowa rządzi zjawiskami w nanoskali), że do szuflady chowamy długopis (zastępuje on w tym eksperymencie myślowym atom), w której nieobserwowany wchodzi w stan superpozycji. Teraz staje się on falą prawdopodobnych stanów i teoretycznie może znajdować się w dowolnym miejscu. Jednak otwierając szufladę, „obserwator" redukuje funkcję falową do korpuskularnej i długopis, zapewne ku uldze jego właściciela, staje się znowu tylko zwykłym przedmiotem o określonej wadze, kształcie i kolorze.

Podobnie dzieje się z owymi tajemniczymi kubitami. Każdy pomiar i kontakt z otoczeniem powoduje, że układ wypada ze stanu superpozycji. I to jest największa przeszkoda, którą uważano w czasach Feynmana za niemożliwą do pokonania. Mimo fali krytyki ze strony środowiska naukowego koncepcja budowy komputera kwantowego postulowana przez Feynmana została po raz pierwszy zrealizowana już 15 lat po owym słynnym wykładzie. W 1996 r. Neil Gershenfeld, Isaac L. Chuang i Marc Kubineca zbudowali maszynę wykorzystującą zjawisko rezonansu magnetycznego NMR. Urządzenie programowano za pomocą impulsów radiowych.

Ale prawdziwy przełom w informatyce kwantowej nastąpił dopiero w 2009 r., kiedy dwóm doktorantom z Centrum Fotoniki Kwantowej na Uniwersytecie Brystolskim udało się zbudować pierwszy optyczny komputer kwantowy korzystający z czterech kubitów.

Prezent dla kryptologów

Żeby zrozumieć różnice między bitami i kubitami, można się posłużyć następującym przykładem: 4 klasyczne bity dają w sumie 16 możliwych kombinacji, kiedy 4 kubity będące w stanie superpozycji mogą być we wszystkich 16 stanach naraz, a z każdym kolejnym dodanym kubitem liczba kombinacji wzrasta wykładniczo. Oznacza to, że 20-kubitowy komputer może jednocześnie przechowywać i analizować 1 000 000 wartości. Rozbudowana maszyna kwantowa przetwarza olbrzymie zbiory danych w bardzo krótkim czasie.