IBM ogłosiło kolejny olbrzymi przełom. Komputery kwantowe wchodzą ich zdaniem w „erę użyteczności”. No dobrze, ale o co w ogóle tutaj chodzi?
Z pewnością słyszeliście cokolwiek o komputerach kwantowych. To dość modny temat, a w mediach często pojawiają się nagłówki sugerujące, że technologia jest już niemalże gotowa. O co tu jednak chodzi i czym tak naprawdę są komputery kwantowe?
Przede wszystkim, należy bardzo jasno zaznaczyć – komputer kwantowy nie jest wcale superkomputerem czy po prostu nowym i nieco szybszym komputerem. Tak naprawdę, to maszyna całkowicie odmienna od urządzeń, które dobrze znamy. Ma ona co prawda ten sam cel, czyli wykonywanie obliczeń, ale zasada działania jest po prostu fundamentalnie inna.
No dobrze, ale co tak naprawdę się różni? W czym komputer kwantowy jest inny od zwykłego superkomputera? Podstawowa różnica jest dość czytelna. Tradycyjne urządzenia używają bitów do przechowywania informacji. To jednostki mogące przybierać jedynie jedną z dwóch wartości – 0 lub 1. Tymczasem, komputery kwantowe używają jednostek kwantowych informacji, czyli kubitów. Mogą występować one jednocześnie w wielu stanach kwantowych w tak zwanej superpozycji.
No właśnie, czym jest wspomniana superpozycja? Dość dobrze wytłumaczył ją Erwin Schrödinger w swoim słynnym eksperymencie myślowym, który z pewnością kojarzycie. Mało kto zdaje sobie jednak sprawę, że tak naprawdę tłumaczy on czym jest kubit oraz jak działają komputery kwantowe. Bez większych niespodzianek, mowa tutaj o kocie Schrödingera.
W eksperymencie myślowym Schrödingera, wyobrażamy sobie, że mamy kota zamkniętego w pudełku wraz z urządzeniem, które ma na celu uśmiercenie kota w oparciu o wynik losowego zdarzenia. Sam fizyk użył tutaj nietrwałego atomu i licznika Geigera, który wykryje promieniowanie i wypuści na tej podstawie trujący gaz. Ale nie jest to aż tak istotne. Jedyna ważna informacja to fakt, że zjawisko jest w 100% losowe.
Biorąc pod uwagę, że kot jest zamknięty w pudełku, a my nie znamy wyniku zdarzenia losowego, kot może być zarówno żywy jak i martwy. W mechanice kwantowej jest jednak nieco inaczej – kot jest zarówno żywy jak i martwy! Znajduje się po prostu w superpozycji.
Zgodnie z jej zasadami, zanim pudełko zostanie otwarte i obserwowane, stan kota jest reprezentowany przez superpozycję dwóch równoczesnych możliwości: żywego i martwego kota. Dopiero obserwacja stanu kota ma na celu wywołanie tzw. "kolapsu funkcji falowej" i ustalenie czy kot jest żywy czy martwy.
Jak słusznie pewnie zauważyliście – nie ma to przecież absolutnie żadnego sensu. Jakim cudem kot może być zarówno martwy jak i żywy jednocześnie? Do takich samych wniosków doszedł sam Schrödinger. Cały problem polega na tym, że coś co nie ma sensu w świecie makroskopowym (czyli naszym) ma już sens w świecie kwantowym, czyli nieprawdopodobnie wręcz mikroskopijnym. Chociaż brzmi to trochę jak początek fabuły Ant-Mana to mówimy o poważnej nauce.
No dobrze, ale gdzie w tym wszystkim komputery kwantowe? Wspominaliśmy już o tym, że bity przybierają wartości od 0 do 1. Tymczasem, kubity znajdują się w superpozycji – do momentu obserwacji mają wartość zarówno 0 jak i 1. Są po prostu kubitem Schrödingera, fajnie prawda?
Wiemy już, czym różnią się kubity od bitów. Po co w ogóle jednak je stosować? Czy daje to jakiekolwiek wymierne różnice? Najprościej rzecz ujmując, zwykła maszyna będzie wykonywać obliczenia liniowo, krok po kroku. Komputery kwantowe zrobią to jednocześnie. Jak już się domyślacie, przyspiesza to nieco cały proces.
Google przeprowadziło kiedyś badania, w których ich superkomputer wykonał w niecałe 3 minuty obliczenia, które normalnie zajęłyby ponad 10 tysięcy lat! Komputery kwantowe są zatem w stanie wprowadzić nas w zupełnie nową erę. Przynajmniej teoretycznie – problemy wciąż istnieją!
No dobrze, teoria brzmi pięknie. Jak wygląda praktyka? Cóż, nieco gorzej. Rozsądnym stwierdzeniem jest na tę chwile to, że komputer kwantowy jest urządzeniem bezużytecznym z punktu wykonywania rozsądnych obliczeń. Powodów jest wiele, ale to dwa z nich wydają się największymi przeszkodami.
Pierwszym z nich jest problem stabilności i kontrolowalności kubitów. Cząstki elementarne, które stanowią kubity, są bardzo wrażliwe na zakłócenia z otoczenia, takie jak drgania, promieniowanie czy nawet niewielkie zmiany temperatury. Dlatego utrzymanie stabilności i precyzyjnej kontroli tych kubitów stanowi olbrzymie wyzwanie technologiczne. Tak naprawdę, komputer kwantowy powinien być trzymany niemalże sterylnych warunkach w temperaturze zbliżonej do zera absolutnego. A to jakby nie patrzeć dość skomplikowane.
Dużo większym problemem jest jednak błąd kwantowy i to właśnie on powstrzymuje nas przed wykorzystywaniem pełni mocy komputerów kwantowych. Jest to nieuchronne zniekształcenie i utrata informacji w procesie kwantowego obliczania, spowodowane niestabilnością kubitów.
Błąd kwantowy może mieć poważne konsekwencje dla poprawności i niezawodności obliczeń wykonywanych przez komputery kwantowe. W miarę postępu obliczeń, błędy mogą się kumulować, wprowadzając nieprawidłowe wyniki i utrudniając precyzyjne przetwarzanie danych. Zasada propagacji błędów mówi dość jasno, że już po kilku takich razach całe dane będą bezwartościowe. Ponadto, tradycyjne mechanizmy korekcji błędów stosowane w klasycznych komputerach nie są bezpośrednio przenośne na komputery kwantowe, co dodatkowo pogarsza sytuację. Innymi słowy – nie do końca wiemy skąd biorą się błędy, a przez to niezbyt rozumiemy jak się ich pozbyć.
Błąd kwantowy jest wynikiem skomplikowanych i trudnych do przewidzenia interakcji pomiędzy kubitami a ich otoczeniem. Z tego powodu naukowcy intensywnie pracują nad opracowaniem strategii i technik korekcji błędów, które uwzględniają specyficzne charakterystyki systemów kwantowych. Wzmacnianie i kontrola stabilności kubitów, rozwój algorytmów kompensacyjnych oraz opracowanie bardziej zaawansowanych technologii kubitów stanowią kluczowe obszary badań w tej dziedzinie.
Możemy być jednak dobrej myśli. IBM twierdzi, że ich technologia może wprowadzić komputery kwantowe w „erę użyteczności”. Problem w tym, że jesteśmy dopiero na jej samym początku.
