Komputery kwantowe są przedstawiane jako maszyny zdolne do błyskawicznego rozwiązywania problemów, które na klasycznych urządzeniach jest niesłychanie czasochłonne. Zadanie ich zbudowania i praktycznego wykorzystania jest obecnie niesłychanie trudne.
Google chwali się, że osiągnął już kwantową supremację na świecie. Dla wtajemniczonych oznacza to potencjał rozwiązywania problemów dotychczas niemożliwych w sposób klasyczny. Teleinformatyczny gigant ogłosił, że dysponuje 54-kubitowym procesorem Sycamore zdolnym w ciągu 200 sekund wykonać zadania, na które dotychczas najpotężniejsze maszyny potrzebowałyby 10 tys. lat. Ten komputer może też przechowywać ilość informacji wielokrotnie większą od liczby atomów we wszechświecie. Podobne deklaracje składa IBM, choć nieco niżej ocenia prędkość swojej piekielnej machiny. Brzmi to niesamowicie. Od razu zaczynamy się zastanawiać, co się teraz stanie z tymi wszystkim superkomputerami na świecie? Póki co, nic się nie zmieni.
Obliczenia kwantowe zaczęły wzbudzać praktyczne zainteresowanie w 1994 roku, gdy matematyk Peter Shor opracował algorytm kwantowy, potrafiący sprawnie generować ogromne liczby pierwsze, co wtedy umożliwiało pokonanie istniejących barier obliczeniowych. Klasyczne maszyny działają w systemie binarnym (dwójkowym), operującym na cyfrach 0 i 1. To proste rozwiązanie przestaje działać w świecie kwantowym, w którym kubit, czyli kwantowy bit, może przyjąć dowolną wartość pomiędzy zerem i jedynką. Kubity są łączone w rejestry kwantowe, na których można przeprowadzać bardziej złożone obliczenia. Dane z tych rejestrów są następnie przetwarzane przez specjalne kwantowe bramki, tworząc tak zwane obwody kwantowe. Żeby dodatkowo utrudnić zasady działania komputerów kwantowych, pomiar stanu kubitów może mieć wpływ na ich zachowanie, stąd wprowadzono tzw. splątanie kubitów, umożliwiające odczyt jednego kubita nie wpływając na stan drugiego.
W świecie kwantowym posługujemy się prawdopodobieństwem przyjęcia przez kubit określonej wartości, więc wyniki obliczeń kwantowych maszyn stanowią w praktyce najbardziej prawdopodobną odpowiedź na postawione pytanie. Świat kwantowy charakteryzuje się bowiem możliwością zaistnienia tego samego zjawiska w wielu stanach jednocześnie (tzw. superpozycjach). W komputerach klasycznych oznaczałoby to jednoczesne osiągnięcie wyniku 0 i 1 (np. równoczesne włączenie i wyłączenie tranzystora), z czym fizyka klasyczna sobie nie radzi. Za to kwantowa i obliczenia dokonywane w jej ramach bazują właśnie na takich założeniach. To czyni obliczenia kwantowe wyjątkowymi.
Wyobraźmy sobie poszukiwanie drogi wyjścia z labiryntu. Klasyczny algorytm musi sprawdzić po kolei każdą kolejną ścieżkę, aż do momentu znalezienia tej właściwej. Tymczasem komputer kwantowy jest w stanie przeanalizować wszystkie możliwe drogi jednocześnie. Dla naukowców to wspaniała informacja, gdyż może być odpowiedzią na bariery algorytmicznego uczenia się sztucznej inteligencji, szczególnie w złożonych zastosowaniach.
Traktowane współcześnie jako całkowicie bezpieczne algorytmy szyfrowania danych nie będą stanowiły dla komputerów kwantowych dużego wyzwania. Bo przecież komputer kwantowy jednocześnie będzie w stanie przeanalizować wszystkie dostępne hasła. Za to nowe kwantowe algorytmy szyfrowania spowodują przeniesienie poziomu bezpieczeństwa informacji na zupełnie nowy szczebel. Prognozy pogody, dziś możliwe do dokładnego określenia jedynie dla pojedynczych godzin, w przyszłości – dzięki uwzględnieniu szeregu nowych kryteriów – będą dokładne w perspektywie dni lub tygodni. Zdecydowanie wzrośnie również przewidywalność niebezpiecznych zjawisk pogodowych i katastrof. A to przełoży się na konkretne oszczędności lub wzrost zysków producentów, np. żywności, przedsiębiorstw transportowych lub handlu detalicznego. Zdaniem Głównego Ekonomisty Departamentu Handlu USA – Rodneya F. Weihera, prawie 30 proc. PKB kraju jest bezpośrednio lub pośrednio zależne od warunków pogodowych.
Opracowywanie nowych leków jest współcześnie niezwykle czasochłonne. Skomplikowane interakcje pomiędzy ich składnikami a organizmami pacjentów wymagają mnóstwa obliczeń i testów. W przyszłości czas ten można będzie zdecydowanie skrócić, a nawet tworzyć spersonalizowane leki dostosowane do potrzeb konkretnych pacjentów.
Kiedy to wszystko nas czeka? Tego jeszcze naukowcy nie wiedzą. Mechanika kwantowa wymaga całkowitego zapomnienia o mechanice klasycznej, a grono wysokiej klasy specjalistów w tym zakresie jest bardzo małe. Komputery kwantowe wymagają działania w temperaturze bliskiej zera absolutnego (w celu minimalizacji błędów, które i tak występują, spowalniając obliczenia), a ich programowanie odbywa się poprzez wyrafinowane algorytmy wprowadzane na zwykłych komputerach. Tym niemniej już dziś każdy z nas może skorzystać z interakcji z 7-kubitowym komputerem kwantowym IBM 7, wchodząc na specjalną stronę internetową i wykonując jedną z dostępnych opcji, np. zagrania z nim w karty.
O tym, że jest to ważna technologia przyszłości może świadczyć fakt, iż Chiny w budżecie badawczym na 2020 rok zaplanowały zainwestowanie 3 mld dolarów w rozwiązania komputerów kwantowych. Również Unia Europejska realizuje projekt zapewnienia cyberbezpieczeństwa usług informatycznych i telekomunikacyjnych, dzięki wykorzystaniu komputerów kwantowych. Stawka wyścigu o kwantową supremację na świecie ma więc już konkretne oparcie finansowe i instytucjonalne. A to dopiero początek…
