Wyobraź sobie komputery miliardy razy szybsze od tych, które dzisiaj mamy do dyspozycji. Po co nam takie urządzenia? Na razie jeszcze nie wiem, ale jestem pewien, że jak tylko je stworzymy, zastosowania sypną się jak z rękawa.

Skąd ta pewność? Tego uczy nas historia. Także ta najnowsza. W 1946 roku Thomas Watson, prezes koncernu IBM, firmy, która właśnie skonstruowała pierwszy komputer, stwierdził publicznie, że tego typu maszyny nigdy nie będą powszechne. W dość długim przemówieniu powiedział także, że jego zdaniem w przyszłości świat nie będzie potrzebował więcej niż 5 maszyn cyfrowych. No tak, przecież gry były planszowe, o internecie nikt nie słyszał, a dokumenty można przecież pisać na maszynie do pisania. Tymczasem dzisiaj mocna pozycja firmy IBM została zbudowana właśnie na produkcji ogólnie dostępnych i powszechnych maszyn cyfrowych. I jeszcze jeden przykład. W połowie lat 90. XX wieku (czyli zaledwie 20 lat temu) guru technologii cyfrowej, założyciel i szef Microsoftu Bill Gates stwierdził, że internet to mało użyteczna zabawka. Faktycznie, wtedy był on czymś takim. Faktycznie, listy można było wysłać pocztą albo faksem. Zawsze to samo. Cywilizacja rozwija się dzięki wizjonerom spełniającym swoje marzenia. Dzięki ludziom, którzy nie zawsze potrafią odpowiedzieć na pytania „po co?” albo „do czego nam się to przyda?”. Historia uczy jednak, że każde odkrycie, każda rewolucja błyskawicznie zostają zagospodarowane. I stąd pewność, że komputery kwantowe, bo o nich mowa, będą urządzeniami, bez których ludzie nie będą sobie wyobrażali życia.

Światłem hurtowo

Pomysł, by wykorzystać kwanty (np. pojedyncze cząstki światła) jako nośnik informacji, jako „medium” do prowadzenia obliczeń, ma około 40 lat. Jak to często bywa, w takich sytuacjach dość trudno wskazać pierwszego pomysłodawcę, ale nie ma wątpliwości, że jednym z pierwszych był znany fizyk Richard Feynman. No i potoczyło się. Na kilku uniwersytetach grupy naukowców rozpoczęły teoretyczne obliczenia. Jedna z takich grup, związana z uniwersytetem oksfordzkim, stworzyła protokoły kwantowe. Współpracował z nią też Polak, Artur Ekert. Po około 10 latach od rzucenia pomysłu, czyli w połowie lat 90. XX wieku, powstały pierwsze podstawowe elementy konstrukcji komputera kwantowego, czyli bramki, które przetwarzały kubity. Co to takiego? To cząstki elementarne, fotony lub elektrony, których różne stany w pewnym sensie są nośnikami informacji. Tylko dlaczego komputer zbudowany „na kwantach” ma być szybszy od tradycyjnego? Sprawa, wbrew pozorom, nie jest aż tak bardzo skomplikowana. Podstawą jest przeniesienie się do zupełnie innego świata. Świata, w którym nic nie jest takie jak w naszym świecie. Mam tutaj na myśli świat kwantów, same podstawy budowy naszej materii. Zjawiska, które tam występują, są dla nas fascynujące, bo wokół nas ich nie zauważamy. Więcej, one są nielogiczne, przeczące intuicji i zdrowemu rozsądkowi.

Jedną z dziedzin badających ten świat jest optyka kwantowa. Tak jak „zwykła” optyka, czyli ta, której uczymy się w szkole na lekcjach przyrody czy fizyki, tak samo i ta kwantowa zajmuje się światłem. Różnica polega na tym, że optyka kwantowa bada pojedyncze cząstki światła, czyli kwanty albo ich niewielkie grupy (pary, trójki…), podczas gdy „optyka szkolna” zajmuje się światłem bardziej „hurtowo”. Bada je jako zbiór ogromnej ilości kwantów. Właśnie w tych ogromnych ilościach fotonów (czyli w wiązkach czy promieniach światła) gubią się te zjawiska, które w przypadku pojedynczych cząstek występują. O co konkretnie chodzi? Na przykład o zjawisko superpozycji. – To zjawisko nie występuje w świecie klasycznym i bardzo trudno w ogóle znaleźć do niego zrozumiałą analogię – mówi „Gościowi” Radosław Chrapkiewicz, doktorant Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

I w lewo, i w prawo

Superpozycja. O co chodzi? – Definicja mówi, że to istnienie dwóch pozornie wykluczających się stanów cząstki – mówi Chrapkiewicz. I od razu dodaje, że superpozycja w naszym świecie nie występuje, ale gdyby występowała, strzałka skierowana w prawo równocześnie byłaby skierowana także w lewo, a prawy but byłby równocześnie lewym. – W świecie, który nas otacza, strzałka jest skierowana albo w jedną, albo w drugą stronę, a jeden but może być albo prawy, albo lewy. Ale w świecie kwantów jest inaczej. Jedna cząstka może istnieć w stanach, które się wzajemnie wykluczają. Tylko co to ma wspólnego z komputerami kwantowymi? W klasycznym komputerze, takim, jaki stoi w niemal każdym domu, takim, na jakim piszę ten artykuł, wszelkie obliczenia robi się na zerach i jedynkach. Maleńkie elementy elektroniczne mogą przyjmować albo wartość „0”, albo „1”. – W komputerze kwantowym w pewnym sensie zera i jedynki istnieją równocześnie, a to oznacza, że możemy wykonywać równocześnie wiele obliczeń naraz – mówi Radosław Chrapkiewicz. Muszę mieć niewyraźną minę, bo Radek tłumaczy dalej. – Jeden klasyczny bit to jest zero lub jedynka, jeden kwantowy bit, czyli kubit, to jakiś stan równoczesnego istnienia zera i jedynki. W tym samym momencie zamiast jednej wartości mamy dwie współistniejące. Jeżeli weźmiemy dwa kubity, mamy jednoczesne współistnienie czterech wartości, bo tyle jest możliwych kombinacji zer i jedynek. A jeżeli zbuduję komputer dziesięciokubitowy, różnych możliwości jest 2 do 10 potęgi, czyli 1024, podczas gdy w klasycznym komputerze dziesięciobitowym jest tylko 10 możliwości – tłumaczy Radosław Chrapkiewicz. I dodaje: – Liczba operacji możliwych do wykonania równocześnie rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem liczby kubitów. Komputery skonstruowane w ten sposób działałyby nieporównywalnie szybciej, bo wiele operacji mogłyby wykonywać równocześnie. Dzisiejsze komputery nie potrafią robić kilku operacji naraz – kończy Chrapkiewicz.

Zasada działania komputera kwantowego nie wydaje się skomplikowana. Ale jak jest z jej realizacją? No i tutaj pojawia się problem. Dzisiaj nie ma jeszcze układów, które z czystym sumieniem można byłoby nazwać wielokubitowymi. Co prawda na początku lutego 2007 roku firma D-Wave Systems zaprezentowała 128-kubitowy komputer, ale istnieją uzasadnione wątpliwości, czy to rzeczywiście jest „pełnowartościowy” komputer kwantowy, czy tylko urządzenie, które wykorzystuje pewne zjawiska kwantowe. Być może różnica pomiędzy tymi dwoma przypadkami jest subtelna, ale specjaliści ją zauważają. Ale nawet w przypadku komputera, który nie jest przez wszystkich zaliczany do maszyn kwantowych, liczby mogą robić wrażenie. Jedna z grup badaczy twierdzi, że stworzyła czip, który może dokonywać ponad 10^38 obliczeń naraz. Zwykłemu, klasycznemu komputerowi zajęłoby to kilka milionów lat.

To takie logiczne

No i powstaje pytanie kluczowe. Po co nam tak szybkie komputery? Kilka zastosowań przychodzi do głowy od razu. Zastosowania wojskowe, a właściwie wywiadowcze. Dzisiejsze komputery nie radzą sobie z ogromną ilością danych, które nadsyłają urządzenia podsłuchowe. Ludzie odpowiedzialni w strukturach państwa za bezpieczeństwo (własnych obywateli) nie lubią sytuacji, gdy mają dane, ale nie są ich gdy przeanalizować, bo jest ich za dużo. Niewiele instytucji ma fundusze na to, by inwestować w takie dziedziny nauki jak optyka kwantowa. Nieliczne są instytucje związane z wojskiem czy wywiadem. Amerykańska Agencja Bezpieczeństwa Narodowego, która zajmuje się tym drugim, w komputery kwantowe inwestuje duże pieniądze. Zresztą podobnie było z komputerami, których dzisiaj używamy. Ich rozwój związany był z Projektem Manhattan – budowy pierwszej bomby jądrowej. – Ta analogia jest bardzo dobra. Moim zdaniem komputery kwantowe dzisiaj są na takim etapie rozwoju technologicznego, jak w latach 40. XX wieku były komputery klasyczne – mówi Radosław Chrapkiewicz. I dodaje, że nie sposób dzisiaj powiedzieć, kiedy przyjdzie przełom.

Choć sam zajmuje się optyką kwantową, nie jest w stanie wyobrazić sobie komputerów kwantowych w każdym domu czy w zminiaturyzowanej wersji zastosowanych w jakichś urządzeniach mobilnych, takich jak np. dzisiejsze smartfony. Nie tylko zresztą on. Przegląd specjalistycznych stron internetowych pokazuje, że gdy mowa o wykorzystaniu komputerów kwantowych, najczęściej pojawiają się stwierdzenia o analizie dużej ilości danych, w tym danych naukowych i o skomplikowanych modelach matematycznych, dotyczących np. pogody czy na przykład projektowania leków. Nic dla ludzi? Cóż, leki są jak najbardziej dla ludzi, ale faktycznie brakuje nam chyba wyobraźni, by dzisiaj znaleźć zastosowanie dla maszyn o tak ogromnej mocy obliczeniowej. Spokojnie, gdy pojawią się takie komputery, pojawią się i zastosowania. A wtedy będziemy nieskończenie zdziwieni, że wcześniej tych zastosowań nie potrafiliśmy zauważyć. Przecież one są takie… logiczne.

komputer kwantowy

 

>>> Na zdjęciu układ skonstruowany przez firmę D-Wave Systems, zawierający 128 kubitów.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny