Nadchodzi koniec krzemowych procesorów. Co potem? Do komputerów kwantowych jeszcze daleka droga

W czasach, gdy w kieszeni nosimy komputery kilkaset razy mocniejsze od tych, które planowały lądowanie na Księżycu, może się wydawać, że mocniejszych już nie potrzebujemy. Jednocześnie wg prawa Moore'a zapotrzebowanie rynku na moc obliczeniową podwaja się mniej więcej co 24 miesiące. Prawdopodobnie większości z nas to bezpośrednio nie dotyczy. W końcu do przeglądania internetu czy wypełniania tabelek w Excelu w zupełności wystarczą nam możliwości nawet kilkuletnich laptopów i tabletów.

Jednak do takich zadań jak przeszukiwanie ogromnych baz danych, symulacje molekularne, szyfrowanie i łamanie haseł nawet dzisiejsze superkomputery okazują się za wolne. Np. złamanie 128-bitowego klucza szyfrującego (liczba możliwych kombinacji to dwa do potęgo 128-ósmej) dzisiejszemu najszybszemu komputerowi (chiński Sunway TaihuLight o mocy 93 PFLOPS, czyli zdolnemu wykonać 93 biliardy operacji na sekundę) zajęłoby miliony lat. Przez to 128-bitowy klucz uznawany jest dziś za niemożliwy do złamania. Teoretycznie mogą jednak istnieć maszyny, które będą w stanie odgadnąć taki klucz w ciągu kilku - kilkunastu minut. Są to komputery kwantowe.

Najmniejszą cząstką informacji w standardowych komputerach jest bit. Może on mieć wartość 1 lub 0. Natomiast w komputerach kwantowych taką najmniejszą cząstką jest kubit czyli bit kwantowy. Ten zaś może znajdować się w pewnym stanie pomiędzy 1 a 0 dzięki zjawisku nazywanym superpozycją. Dopiero gdy zostanie sprawdzony, przyjmuje wartość 1 lub 0. Erwin Shroedinger wyjaśnił ten fenomen na przykładzie kota w pudełku, w którym umieszczono dodatkowo pojemnik z trucizną uwalnianą z pewnym prawdopodobieństwem po określonym czasie. Dopóki nie otworzymy pudełka i nie zajrzymy do środka, to zwierzę może być zarówno żywe jak i martwe.

Ale jaki związek mają martwe/żywe koty z komputerami? Dzięki superpozycji kubitów komputery kwantowe mogą jednocześnie przetwarzać miliony operacji. Natomiast standardowe, nawet najszybsze superkomputery, wykonują operacje jedna po drugiej. Taka zdolność komputerów kwantowych umożliwi w przyszłości wykonywanie ogromnych obliczeń i symulacji w ułamku czasu, jakiego potrzebowały by dzisiejsze maszyny. Jednak o komputerach kwantowych słyszy się już od lat 80. Dlaczego jeszcze nie widzimy przełomu w tej technologii? Okazuje się, że fizyka kwantowa nie jest taka prosta jak może się wydawać.

Nie bez przyczyny to procesory oparte na krzemowych układach scalonych, a nie komputery kwantowe, są podstawą rewolucji elektronicznej. Powodów takiego stanu rzeczy jest sporo, ale zacznijmy od najprostszych. Warunki pracy. Istniejące komputery kwantowe, to niezwykle delikatne urządzenia. Aby cząstki kwantowe nie zostały zakłócone przez czynniki świata zewnętrznego (a pamiętajmy, że nawet sama obserwacja wpływa na ich stan), komputery pozostają ukryte w laboratoriach o ograniczonym dostępie i trzymane są w temperaturze bliskiej zera absolutnego.
Innym problemem jest probabilistyczna strona obliczeń wykonywanych przez komputery kwantowe. Komputery tradycyjny opierają się na algorytmach deterministycznych, czyli takich, które działają w ścisle określony i przewidywalny sposób. W przypadku komputerów kwantowych musimy pogodzić się z tym, że fizyka kwantowa opiera się na rachunku prawdopodobieństwa i tak też należy interpretować otrzymane wyniki. Można wyobrazić sobie, że układają się one na wykresie w tzw. krzywą dzwonową wskazującą, który wynik ma największe prawdopodobieństwo.

Kolejnym problemem jest programowanie. Musi się ono odbywać na zasadach mechaniki kwantowej. A tej nikt tak do końca nie rozumie, uważa Artur Długosz z Intela zajmujący się m.in. rozwojem sztucznej inteligencji.

- Choć korzystamy z osiągięć mechaniki kwantowej na codzień to istnieje wiele interpretacji fizyki kwantowej i nikt tak do końca nie rozumie jej działania – mówi w rozmowie z tech.wp.pl Długosz. - Najlepszym na to przykładem jest zasada splątania kwantowego, która jest niezgodna z klasycznymi prawami fizyki. Zasada ta polega na tym, że dwie cząstki kwantowe mogą być sie ze sobą połączone (niezależnie od odległości). Jeśli na jedną z tych cząstek zadziała zewnętrzny czynnik, druga natychmiast to odnotuje. Ta zależność może być wykorzystana np. w kryptografii. Dałoby to możliwość natychmiastowego poinformowania, czy zaszyfrowana wiadomość została odczytana.

Komputery kwantowe, o ile osiągną już pożądane możliwości, to będą skuteczne w wykonywaniu ściśle określonych, specjalistycznych zadań. Np. przeszukiwania milionów zdjęć odległych galaktyk. Dzisiejsze algorytmy uczące się też są w prawdzie zdolne to zrobić, ale potrzebują najpierw ogromnej ilości poprawnych danych. Tzn. rozpoznają na zdjęciu kota tylko jeśli widziały wcześniej milion zdjęć kotów. W odróżnieniu od nich (dzisiejszych komputerów, nie kotów) komputery kwantowe będą mogły odnajdywać obiekty, których wcześniej nie widziały. Ale nie zalogujemy się przez nie do Facebooka, ani nie zrobimy prezentacji w PowerPoincie.

Zaprezentowany na targach CES 2018 49-kubitowy procesor Tangle Lake Intela to ogromny skok w rozwoju technologii kwantowej, zwłaszcza w porównaniu z 17-kubitowym procesorem dostarczonym przez firmę zaledwie dwa miesiące temu. Targi w Las Vegas wykorzystał też IBM - firma zaprezentowała swojego 50-kubitowy komputer, a dokładnie jego skomplikowaną aparaturę pomocniczej (m.in. odpowiadającej za utrzymanie niskiej temperatury). Jednak na prawdziwą rewolucję kwantową trzeba będzie jeszcze poczekać.

- Możliwe, że w ciągu najbliższych lat komputery kwantowe trafią do laboratoriów i ośrodków naukowych – uważa Artur Długosz z Intela. – Będą tam rozwiązywały najtrudniejsze zadania, z którymi dzisiejsze komputery nie są w stanie sobie sprawnie poradzić takimi, jak przeszukiwanie ogromnych zbiorów danych, poszukiwanie nowych leków, prognozowanie pogody, modelowanie rynków finansowych czy badania molekularne. Jednak do tak skomplikowanych obliczeń potrzebujemy jeszcze mocniejszych układów o liczbie być może nawet setek tysięcy kubitów. Tylko że teraz nie wiemy jeszcze jak takie układy zbudować, zaprogramować i utrzymać w warunkach zapewniającym korzyści, jakie daje kwantowy komputer – podsumowuje Długosz.