Przeglądając literaturę, po dwóch tekstach doszedłem do wniosku, że to jeden z tych tematów, w których zdania trzeba czytać dwukrotnie, tak aby upewnić się że to, co zakodowano w serii znaków składających się na słowa ma rzeczywiście takie znaczenie, jak odkodował je mózg. Witamy w świecie subatomowym! Część naukowców uważa, że dopóki komputery kwantowe nie będą w stanie robić większych obliczeń niż te, które są w stanie wykonać obecne komputery, nie powinniśmy ich nazywać kwantowymi. Fizyka kwantowa i opierające się na niej współczesne komputery kwantowe to ciąg, wydawać by się mogło absurdalnych stwierdzeń i szalonych hipotez ludzi, którzy przypisują sobie więcej literek przed nazwiskiem niż potrafię przeczytać jednym tchem.
Zacznijmy jednak od podstaw. Czym jest kwant? Kwant z języka łacińskiego quantum ‘ile’, w fizyce najmniejsza porcja, o jaką może się zmienić dana wielkość fizyczna określonego układu fizycznego[1]. Dzięki edytorom encyklopedii w 13 słowach znaleźliśmy się na poziomie subatomowym i niepodzielnym. Krojąc chleb na kromki możemy je dzielić na coraz mniejsze kawałki. Poziom kwantowy to ostateczny etap podziału. Poziom cząstek niepodzielnych/pierwotnych. Ich charakterystyczna zmienność i inność od pozostałych zjawisk fizycznych nazwano mechaniką kwantową. Punktem zaczepienia do przejścia na poziom komputerów kwantowych jest kubit[2], czyli bit kwantowy. To podstawowa niepodzielna jednostka przenosząca informację kwantową. Warto zapamiętać to pojęcie, gdyż wykorzystywane jest w komputerach kwantowych.
Chociaż sam termin mechanika kwantowa został po raz pierwszy użyty w latach 20 poprzedniego wieku, do chwili obecnej budzi wiele kontrowersji. Zasady mechaniki kwantowej wywróciły dotychczasowy świat fizyki, a nawet najprostsze zasady logiki. Zgodnie z jej założeniami, dwie cząstki mogą znajdować się w tym samym punkcie jednocześnie, a nawet według paradoksu splątania, oddziaływać na siebie natychmiastowo, nawet jeśli oddalone są od siebie o miliardy lat świetlnych. Powstały też wyliczenia matematyczne, potwierdzające hipotezę mechaniki kwantowej, która zakłada, że czas może biec z przyszłość w przeszłość. W mechanice kwantowej takich zdań jest bardzo dużo, a wycinek, który został do tej pory zbadany jest wciąż znikomy w stosunku do całego spektrum możliwości oferowanych przez kwanty. W największym uproszczeniu mechanika kwantowa sprowadza się do zmiany pojmowania większości zjawisk fizycznych, otwierając jednocześnie kolejne możliwości ich wykorzystania.
Takim przykładem są komputery kwantowe czyli maszyny obliczeniowe, która posługuje się mechaniką kwantową aby zwiększyć zdolności obliczeniowe. Używanie komputera kwantowego w porównaniu do zwykłego komputera to jak przejechanie długiego odcinka dorożką i sportowym samochodem. Prędkość dokonywania obliczeń jest niewspółmierna na korzyść technologii kwantowej. W klasycznych układach obliczeniowych mamy bity, w kwantowych kubity. W klasycznych komputerach każda informacja zapisana jest jako ciąg zer i jedynek. Wszystkie złożone operacje, które wykonują nasze komputery, komórki, konsole itp. sprowadzają się do kombinacji dwóch cyfr: 0 i 1 – tworząc tak zwany język binarny. Jego ograniczenia znamy wszyscy doskonale (np. kiedy kończy nam się pamięć w telefonie czy na komputerze). Jest to rezultat braku miejsca przechowywania kombinacji zer i jedynek. I tu na scenę wchodzi kubit – przyszły wybawca ,,instagramerek’’ oraz tym bardziej rzutkich naukowców. Kubity mają zdolność przybrania tzw. super pozycji, czyli potrafi zamienić się w dowolną wartość od 0 do 1. To znaczy, że dany kubit może być w 95% zerem i w 5% jedynką jednocześnie, a proporcje mogą być dowolne. To pozwala znacznie zwiększa możliwości obliczeniowe. Nastręcza to także wiele problemów. O ile zera i jedynki łatwo przechowywać w tym samym szyku, o tyle kubity są wysoce zmienne. Kiedyś przeczytałem, że to tak jakby do szuflady włożyć gumkę i ołówek, zamknąć ją i ponownie otworzyć, a w środku będzie pióro i plastelina. Na domiar złego z każdym otwarciem szuflady znajduje się w niej co innego. Drugą natomiast cechą, która znacznie zwiększa możliwości obliczeniowe jest efekt splątania kwantowego, o którym wspomniałem wcześniej. Splątanie pozwala łączyć kubity w grupy, tworząc tym samym jeszcze bardziej wydajne jednostki przechowywania i przetwarzania informacji. Poza ogromnymi korzyściami związanymi z wykorzystaniem mocy obliczeniowej, wczesne komputery kwantowe, z którymi mamy obecnie do czynienia wciąż trapione są kilkoma problemami, z których najważniejszym jest wspomniana niestabilność. Każde drobne zakłócenie wpływa na jakość i szybkość obliczeń, dlatego większość z nich podczas pracy utrzymywana jest w bardzo niskich temperaturach, bliskich zeru bezwzględnemu.
Obecnie na świecie technologia komputerów kwantowych rozwija się dynamicznie. Ze względu na jej wady jest kapitałochłonna. Wyścig o hegemonię kwantową toczy się między USA i Chinami, które ścigają się w tworzeniu coraz potężniejszych maszyn z niespotykaną mocą obliczeniową. Miarą wydajności tych komputerów jest ilość kubitów. Obecnie (stan na październik 2022) najpotężniejszym jest 127 kubitowy komputer Eagle, stworzony przez IBM. Zaraz za nim jest 113 kubiotwy chiński Jiuzhang 2.0, a Google dysponuje 72 kubitowym Bristlecone. Według ekspertów ta trójka długo nie zagości na podium i szybko zostanie zdeklasowana przez nowsze jednostki. Najświeższa jednostka IBM to pierwszy komputer kwantowy, który mocą przewyższa najmocniejsze maszyny korzystające z funkcji binarnych. Ten przeskok obliczeniowy nazwany został przewagą kwantową. Jak podaje IBM, obliczenia które Eagle realizuje w kilka minut, klasyczny superkomputer realizowałby 2,5 miliarda lat! Jeszcze w tym roku IBM ma wypuścić 433 kubitowy Quantum Osprey, a w przyszłym roku ponad 1000 kubitowego Condora. Właśnie zaczyna się epoka kwantowa.
Wykorzystanie komputerów kwantowych jest przynajmniej takie, jak komputerów tradycyjnych, tylko ze szybszą i większą prędkością obliczeniową. Z pewnością z czasem sposoby ich wykorzystania będą w jeszcze większym stopniu rozwijane i stosowane coraz szerzej, ułatwiając nam życie. Czy będą możliwe obliczenia, które pozwolą bardzo dokładnie prognozować zjawiska społeczne, rozwój wirusów, możliwości wybuchu wojny? Czy pozwolą nam znaleźć lekarstwo na raka? Czy umożliwią podróże międzygwiezdne? Czas pokaże, ale z pewnością nadchodzi ich epoka. Technologia kwantowa zarazem pozwoli nam na kolejny skok rozwojowy. Dzisiaj ten akapit brzmi jak futurystyczne myślenie życzeniowe ale rozumiejąc jak funkcjonują komputery kwantowe i jakie mają potencjał, łatwiej wskazywać do tej pory nieosiągalne cele i dążyć do nich.
Wykorzystanie komputerów kwantowych w obecnej, wciąż chwiejnej formie ma ograniczony zakres, ze względu na niestabilność obliczeń. Podobnie było z obecnymi komputerami. Dopiero poznajemy możliwości tego nowego języka obliczeniowego. W naszym obecnym świecie pojmowania technologii komputerowych jesteśmy jak dzieci, które mają tylko czegoś mało (0) lub dużo (1), bez rozumienia do końca tego, że pomiędzy tymi wartościami może być niesłychana ilość innych. 30 lat temu nie wiedzieliśmy do czego doprowadzi nas masowy rozwój technologii, nazywanych dzisiaj klasycznymi komputerami. Z komputerami kwantowymi jest podobnie. Przypuszcza się, że w połączeniu z Big Data oraz Sztuczną inteligencją , o których pisałem w poprzednich artykułach staną się kamieniem milowym kolejnej fali rozwoju ludzkości. Czy nas pogrążą, czy pozwolą na pogłębioną eksplorację naukową w skali mikro i niezmierzonego kosmosu? W ten sposób kończę serię wyzwań informacyjnych XXI wieku, w oczekiwaniu na kolejne odkrycia i technologie, które będą zmieniać panującą rzeczywistość.
dr Karol Kwietniewski Autor specjalizuje się w zagadnieniach stabilności politycznej na obszarze postradzieckim, propagandzie, dezinformacji oraz walce informacyjnej. Twórca kanału YT – Wojna o pokój LINK
[1] Kwant, encyklopedia.pwn.pl,
[2] Z ang. Quantum bit
