Kwantowa przyszłość informatyki

100

Google LLC, jeden z największych koncernów w branży IT, ogłosił osiągnięcie „supremacji kwantowej”. To przełom w dziedzinie przetwarzania informacji.
Co to jest „supremacja kwantowa” i dlaczego w ostatnich dniach jest tak głośno z powodu amerykańskiej firmy Google? Supremacja kwantowa to potencjalna zdolność kwantowych urządzeń komputerowych do rozwiązywania problemów, których klasyczne komputery praktycznie nie są w stanie wykonać. Najważniejszą zaletą jest szybkość wykonywania operacji obliczeniowych. Złożoność obliczeniowa kwantowych procesów komputerowych zazwyczaj oznacza przyspieszenie wielobiegunowe w stosunku do najlepszego istniejącego klasycznego algorytmu wykorzystującego układ binarny.

Obecne komputery, które do porównania z maszynami kwantowymi zaczynają już nazywać się „klasycznymi”, wykonują wszystkie obliczenia za pomocą zer i jedynek. Innymi słowy: „mózg” każdego komputera, tabletu lub smartfona to procesor, który wykonuje obliczenia, zamieniając wszystkie cyfry i litery na ciąg zer i jedynek, z których jeden oznacza przepływ prądu, a zero jego braku. Dzięki temu pozornie prostemu mechanizmowi można „uporządkować” przepływ prądu lub jego brak w różnych kombinacjach. Każde jedno lub zero to trochę – podstawowa, najmniejsza porcja informacji.

Jednak w komputerze kwantowym podstawową jednostką informacji jest kubit, którego nazwa jest skrótem od „bitu kwantowego”. W skrócie: qubit opisuje pewien system kwantowy, o którym nie możemy uzyskać pełnej informacji bez zakłócania jej przez pomiar. Podobnie jak w słynnym eksperymencie myśli zaproponowanym przez austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, gdzie kot zamknięty w śmiertelnej skrzyni z gazem jest zawsze żywy lub martwy, dopóki skrzynia nie zostanie otwarta i nie zostanie wykonany pomiar, kubit jest równy zero. Fizyka kwantowa nazywa tę sytuację superpozycją stanów. Jest bardzo nietrwały. Nawet najmniejszy kontakt ze środowiskiem powoduje, że w ułamku sekundy system spada ze stanu superpozycji do stanu ustalonego. Zjawisko to nazywa się dekoherencją fizyki. Jest to największa przeszkoda w pracy maszyn kwantowych. Wydaje się jednak, że duże firmy informatyczne znalazły metodę, która pozwala myśleć o tym zjawisku.

Tym, co odróżnia komputery kwantowe od klasycznych, jest niezwykła szybkość operacji obliczeniowych. Informatycy przewidzieli, że takie maszyny kwantowe będą w stanie wykonać operacje numeryczne w ciągu kilku sekund, co zajęłoby tradycyjnym komputerom nie lata, ale tysiące lat. Do niedawna był to jedynie obszar spekulacji i spekulacji naukowych. Dziś śmiałe marzenia wydają się rzeczywistością.

W ubiegłym roku Google zaprezentowało 72-kubitowy układ kwantowy o nazwie Bristlecone. Mówiono już wtedy, że amerykańska firma wkrótce osiągnie wyższość kwantową, wyprzedzając swoich konkurentów. 20 września 2019 r. Financial Times poinformował, że przedstawiciele Google potwierdzili, że ich obawy doprowadziły do ​​dominacji kwantowej. Zostało to potwierdzone kopią dokumentu koncernu Google wysłanego do NASA i podpisanego przez fizyka Johna Martinisa z University of California, Santa Barbara. Magazyn, do którego dotarli dziennikarze strony „Fortune”, wykazał, że Google ma 54-kubitowy procesor o nazwie Sycomore, w którym funkcjonuje 53 kubitów. Sycomore wygenerował losowy rozkład liczb w systemie binarnym, a następnie zdołał szybko go sprawdzić i potwierdzić wynik. Cały proces trwał zaledwie 200 sekund. Dla porównania, podobna operacja obliczeniowa wykonana przez największy i najszybszy „klasyczny” superkomputer IBM Summit zajęłaby 10 000 lat.

Informacje o tym przełomowym obliczeniu zostały opublikowane na stronie internetowej NASA przez kilka godzin. Ku zaskoczeniu internautów z nieznanych przyczyn administrator strony usunął go po kilku godzinach.

NIEZWYKŁA WIZJA FEYNMANA

Twórca relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej prof. Richard Feynman często powtarzał: „Jeśli uważasz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej”. Podczas jednego ze swoich głośnych wykładów z mechaniki kwantowej w Massachusetts Institute of Technology przedstawił teoretyczny model działania urządzenia, który nazwał komputerem kwantowym. Feynman próbował przekonać słuchaczy, że aby przekształcić układ kwantowy w klasyczny model komputerowy, można wykorzystać wiele zjawisk rządzących życiem atomów i mniejszych cząstek elementarnych, takich jak zasada nieoznaczoności i superpozycja. Pierwszy, sformułowany przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga, oznacza, że ​​nie ma sposobu na dokładne określenie położenia i pędu cząstki, a tym samym jej właściwości komplementarnej. Taka cząstka ma także inną niesamowitą właściwość, która na pierwszy rzut oka wydaje się nielogiczna. ma być w różnych stanach jednocześnie. Dlatego jest to jednocześnie fala i cząstka stała, dopóki ktoś go nie zauważy, a tym samym natychmiast zredukuje swoją własność tylko do jednego stanu.

Wyobraźmy sobie (choć jest to bardzo niedoskonały przykład, ponieważ mechanika kwantowa rządzi zjawiskami w nanoskali), że chowamy długopis w szufladzie (zastępuje atom w tym eksperymencie myślowym), w którym nieobserwowany wchodzi do stan superpozycji. Teraz staje się falą prawdopodobnych stanów i teoretycznie może być wszędzie. Jednak po otwarciu szuflady „obserwator” redukuje funkcję falową do krwinek, a pióro, prawdopodobnie ku uldze właściciela, ponownie staje się zwykłym przedmiotem o określonej wadze, kształcie i kolorze.

To samo dzieje się z tymi tajemniczymi kubitami. Każdy pomiar i kontakt z otoczeniem powoduje wypadnięcie systemu z superpozycji. Jest to największa przeszkoda, która w czasach Feynmana była uważana za nie do pokonania. Pomimo fali krytyki ze strony społeczności naukowej postulowana przez Feynmana koncepcja budowy komputerów kwantowych została zrealizowana po raz pierwszy 15 lat po tym słynnym wykładzie. W 1996 roku Neil Gershenfeld, Isaac L. Chuang i Marc Kubineca zbudowali maszynę, która wykorzystuje zjawisko rezonansu magnetycznego NMR. Urządzenie zaprogramowano za pomocą impulsów radiowych.

Prawdziwy przełom komputer kwantowy nastąpił jednak w 2009 r., Kiedy dwóm studentom z Quantum Photonics Centre Uniwersytetu w Bristolu udało się zbudować pierwszy optyczny komputer kwantowy z czterema kubitami.

PREZENT DLA KRYPTOLOGÓW

Aby zrozumieć różnice między bitami i kubitami, można użyć następującego przykładu: 4 klasyczne bity dają w sumie 16 możliwych kombinacji, jeśli 4 kubity mogą być współistniejące we wszystkich 16 stanach, a przy każdym kolejnym dodanym kubicie liczba wykładniczych kombinacji wzrasta. Oznacza to, że 20-kubitowy komputer może jednocześnie przechowywać i analizować 1 000 000 wartości. Rozbudowana maszyna kwantowa przetwarza ogromne ilości danych w bardzo krótkim czasie.

Rodzi to jednak inny problem. Wyzwaniem związanym z użyciem komputerów kwantowych jest ich chłodzenie, aby nie zakłócać procesów obliczeniowych. Aby tego uniknąć, musisz schłodzić procesor do 0,015 K (-273,135 stopni C). Dlaczego naukowcy chcą budować komputery kwantowe pomimo tylu problemów? Komputery kwantowe w większości funkcji nie zastąpią klasycznych. Z punktu widzenia „codziennego życia” wydają się one bezużyteczne, ale jednocześnie mogą szybko przeszukiwać duże ilości danych, a zatem są idealnymi narzędziami do łamania szyfrów. Stąd duże zainteresowanie tą technologią w branży IT i … usługach specjalnych.

Ale czy komputery kwantowe kiedyś będą w stanie nam wszystkim służyć? Centra nauki na pewno ich wykorzystają. Już w czerwcu 2017 r. IBM ogłosił uruchomienie usługi IBM Q-Service w chmurze, która zapewnia komercyjny dostęp do komputera kwantowego z procesorami 5 i 16 kubitowymi. Do tej pory skorzystało z nich ponad 97 000. Ludzie, głównie naukowcy, którzy wykonali ponad 6 milionów obliczeń na klasycznych maszynach cyfrowych, co zajęłoby setki lub tysiące lat. Miejmy nadzieję, że kwantowa supremacja Google wywoła informatyczny „wyścig zbrojeń”, który przyniesie korzyści całej ludzkości.