Kwantowy komputer, czyli maszyna-widmo
Gdy na początku lutego bieżącego roku mało znana firma D-Wave z Kolumbii Brytyjskiej ( Kanada ) oświadczyła, że w najbliższym czasie pokaże pierwszy działający komputer kwantowy, zapowiedź ta nie zrobiła większego wrażenia. Nie dlatego, że komputery kwantowe są codziennością. Wręcz przeciwnie. Każdy, kto kiedykolwiek zetknął się bliżej z tym zagadnieniem, musiał uśmiechnąć się z niedowierzaniem... Cóż, jaka mogłaby być inna reakcja, skoro nawet przedstawiciele owej firmy przyznają, że zaprezentowane urządzeniem nie jest "prawdziwym" komputerem kwantowym.
Prace nad komputerami kwantowymi prowadzą najwięksi - Intel, IBM, NEC. Trwają one również w najpoważniejszych instytutach naukowych świata. Co pewien czas dowiadujemy się o dokonaniu przełomowego odkrycia, które przybliża nas do dnia, w którym kwantowa maszyna stanie się rzeczywistością. Są to jednak znaczące kroki z naukowego punktu widzenia. Praktyka nie wygląda już tak różowo, co najlepiej oddają słowa profesora Christopha Boehme z University of Utah, którzy przyczynił się niedawno do dokonania jednego z takich znaczących przełomów. Przed trzema miesiącami Boehme mówił: "Jeśli porównamy prace nad komputerem kwantowym z pracami nad tradycyjnym komputerem, to znajdujemy się na etapie tuż przed wynalezieniem abakusa".
Tymczasem 13 lutego 2007 roku D-Wave, ponoć jedyna na świecie firma, która zajmuje się tylko i wyłącznie pracami nad komputerem kwantowym, pokazała swoją maszynę...
Spojrzenie wstecz
Pomysł zaprzęgnięcia praw mechaniki kwantowej do budowy urządzenia liczącego powstał w latach 70. i 80. ubiegłego wieku. Wśród osób, które przyczyniły się do jego powstania i rozwoju należy wymienić Paula Benioffa ( Argonne National Laboratory ), Davida Deutscha ( Oxford University ), Richarda Feynmana ( Caltech ), Charlesa Bennetta ( IBM ) czy Polaka Artura Ekerta ( obecnie Cambridge University ). U podstaw projektu legły naukowe rozważania na temat słynnego Prawa Moore'a. Uczeni doszli do wniosku, że w pewnym momencie układy elektroniczne osiągną tak małe rozmiary, że przestaną się do nich stosować prawa klasycznej fizyki, a zacznie obowiązywać mechanika kwantowa. Stąd już był tylko krok do zadania sobie pytania: "Czy komputer mógłby działać w oparciu o fizykę kwantową?".
W 1982 roku Richard Feynman przedstawił pierwszy teoretyczny model takiej maszyny. Pokazywał on jak mogłyby odbywać się obliczenia przydatne w fizyce kwantowej. Tak więc początkowo teoretyczna kwantowa maszyna miała rozwiązywać zadania, z którymi borykają się uczeni, zajmujący się fizyką kwantową.Trzy lata później David Deutsch dowodził, że komputer kwantowy mógłby zostać wykorzystany do modelowania każdego zjawiska fizycznego. Teoretycznie wykazał więc, że teoretyczny komputer dysponowałby znacznie większą mocą, niż jakakolwiek maszyna istniejąca w rzeczywistości.
Algorytm Shora
Taka sytuacja trwała aż do 1994 roku. Wówczas Peter Shor, naukowiec pracujący w Bell Laboratories, przedstawił kwantowy algorytm rozkładu olbrzymich liczb na liczby pierwsze. Znalazł tym samym zastosowanie dla komputerów kwantowych, a nazwa tego zastosowania brzmiała: kryptografia.
Jedna z podstawowych zasad tworzenia haseł dających chociażby dostęp do komputera brzmi: hasło powinno być jak najdłuższe. Bo im więcej ma znaków, tym jest trudniejsze do odgadnięcia. Tej samej zasadzie jest wierna kryptografia. Stąd wiemy, że szyfr 256-bitowy jest trudniejszy do złamania niż 128-bitowy, a szyfr 1024-bitowy będzie lepiej zabezpieczał dane, niż 512-bitowy. Oczywiście każdy z tych szyfrów można złamać, jednak wraz ze wzrostem długości szyfru znacząco rośnie czas potrzebny na wykonanie niezbędnych obliczeń. Należy przy tym pamiętać, iż każdą liczbę naturalną można przedstawić w postaci iloczynu liczb pierwszych. Znalezienie takiego iloczynu dla szyfru oznacza jego złamanie. Współczesna kryptografia bazuje zaś na tym, iż znalezienie iloczynu dla bardzo dużej liczby jest praktycznie niewykonalne. Po prostu zajęłoby zbyt dużo czasu.
Inaczej wygląda sytuacja w przypadku komputerów kwantowych. Te potrafiłyby, co wykazał Shor, błyskawicznie złamać takie szyfry. Dzięki jego algorytmowi zainteresowanie komputerami kwantowymi gwałtownie wzrosło, a prace nad takimi maszynami ruszyły z kopyta. Z jednej strony bowiem możliwość szybkiego łamania szyfrów jest bardzo kusząca, a z drugiej prace napędzał też strach, iż przeciwnik może rozważać podobne możliwości.
Problemy pozostały
Od momentu opracowania przez Shora jego algorytmu minęło 13 lat, a w prace nad komputerami kwantowymi zaangażowały się rządy, wybitni naukowcy i wielkie firmy. Postronny obserwator może jednak stwierdzić, że ludzkość właściwie drepcze w miejscu. O skali trudności, jaką napotykają naukowcy może świadczyć chociażby fakt, że musiało upłynąć aż 7 lat zanim po raz pierwszy wykonano kwantowe operacje, podczas których w praktyce wykorzystano algorytm Shora. Możemy jednak spać spokojnie, żadne szyfry nie są zagrożone. Uczonym z Uniwersytetu Stanforda i pracownikom IBM-a udało się w 2001 roku zmusić qubity do rozłożenia liczby... 15 na czynniki pierwsze. Do tej operacji zaprzęgnięto umieszczoną w próbówce "maszynę" złożoną z miliardów miliardów cząsteczek, które tworzyły... 7 qubitów. Łamanie współczesnych szyfrów wymaga zaś zaangażowania tysięcy qubitów.
Wciąż otwarty pozostaje jednak problem dekoherencji. Uczeni pracują też nad metodami korekcji błędów, kontrolowania większej liczby qubitów oraz poradzenia sobie z olbrzymią liczbą wyników, które jednocześnie otrzymamy w wyniku obliczeń przeprowadzanych na komputerze kwantowym.Od mniej więcej trzech lat jesteśmy świadkami prawdziwego wysypu pomysłów, nowych technik i idei, z których każda przybliża nas do momentu powstania prawdziwego kwantowego komputera. Choć moment ten wciąż wydaje się odległy.
Krótki przegląd pomysłów
Przedstawienie tutaj wszystkich badań i osiągnięć związanych z informatyką kwantową jest niemożliwie. Spróbujmy przyjrzeć się niektórym z tych najnowszych.
W połowie 2004 roku uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles donieśli, iż udało im się odwrócić spin elektronu w seryjnie produkowanych układach scalonych. Co więcej, wykryli związane z tym zmiany w przepływie prądu. Po raz pierwszy dokonano takiej operacji na pojedynczym elektronie. Odkrycie to dało nadzieję na wykorzystanie tradycyjnych technologii do budowy układów scalonych.
Niemal 10 miesięcy później inni naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego, tym razem w Santa Barbara, wykorzystali nadprzewodzące złącze Josephsona do stworzenia dwóch splątanych qubitów. Później próbkowali je krótkimi ( trwającymi nanosekundy ) impulsami elektrycznymi i badali zmiany pola magnetycznego tych cząstek. Udało im się ustalić odpowiednią sekwencję impulsów, która zminimalizowała ryzyko zmiany stanu qubitów.
Wiadomość o ich ustabilizowaniu musiała wpłynąć mobilizująco na innych naukowców, gdyż już w listopadzie 2005 roku dwa niezależne zespoły naukowe ( szwedzki oraz fińsko-rosyjski ) doniosły, że po raz pierwszy w historii udało im się zmierzyć pojemność złącza Josephsona. Nieco odmiennymi sposobami naukowcy doszli jednak do podobnego wniosku - zastosowana przez nich technologia może posłużyć do odczytania stanu qubitu bez jego zmiany, a tranzystor Josephsona, który powstał przy okazji, może zostać wykorzystany w komputerach kwantowych.
Minął zaledwie miesiąc i dowiedzieliśmy się o kolejnym przełomie. Uczeni z Instytutu Optyki i Informacji Kwantowej w Innsbrucku stworzyli pierwszy kwantowy bajt. Qubajt składał się z ośmiu qubitów. Austriacy, korzystając z pola elektromagnetycznego, schwytali w pułapkę osiem jonów wapnia. Powstały w ten sposób qubajt pozwala na zapisanie macierzy o wymiarach 256 x 256 pól. Macierze takie można będzie prawdopodobnie wykorzystać w komputerach kwantowych.
Niedługo później, już w 2006 roku inny uczony z Innsbrucku zbudował stabilne układy kwantowej pamięci.
W ubiegłym roku akademicy z University of Pittsburgh wyprodukowali "kwantowe kropki", czyli niewielkie struktury z germanu umieszczonego na krzemie. Wewnątrz takich kropek można umieścić pojedyncze elektrony. Z kolei na Ohio University powstała metoda przesyłania światła pomiędzy kwantowymi kropkami, co może zostać wykorzystane jako sposób komunikacji w kwantowych komputerach optycznych.
W połowie ubiegłego roku dowiedzieliśmy się o nowej metodzie pomiaru stanu qubitu przy wykorzystaniu mikrofal. Nie jest ona tak dokładna jak wcześniej wynaleziona technika korzystająca z jonów uwięzionych w polu magnetycznym, jednak, jak przyznają specjaliści, kryje się w niej znacznie większy potencjał i ma szanse być wykorzystaną w praktyce.
W międzyczasie przeprowadzono udane próby teleportacji stanu kwantowego pomiędzy cząstkami i samych cząstek, a wspomniany na wstępie profesor Christoph Boehme milion razy ulepszył metodę odczytania stanu kwantowego cząstek przy pomocy rezonansu magnetycznego. Jego zespół odczytał wspólną wartość dla 10 000 elektronów i atomów fosforu umieszczonego na krzemie. Poprzednie próby dawały wynik dla 10 miliardów cząstek.
Boehme w swoim eksperymencie wykorzystał prąd elektryczny, atomy fosforu, kryształy krzemu, ciekły hel, pole magnetyczne i mikrofale. Dobrze oddaje to skalę skomplikowania prac nad kwantowym komputerem.
Musimy bowiem pamiętać, że wszystkie opisane powyżej eksperymenty zostały przeprowadzone jedynie w warunkach laboratoryjnych.Co to jest Orion?
Firma D-Wave z Kanady pokazała swój komputer kwantowy Orion. Problem w tym, że nawet jej przedstawiciele przyznają, że nie jest to "prawdziwy" komputer kwantowy. To "bardzo wczesny prototyp" maszyny do zadań specjalnych, jak powiedział Geordie Rose, główny technolog i współzałożyciel firmy. Maszyna jest wciąż około 100-krotnie wolniejsza od konwencjonalnego komputera.
Wspomniany pokaz nie odbył się jednak na żywo. Uczestnicy mogli oglądać komputer jedynie za pomocą przekazu wideo, a sama maszyna wykonywała polecenia wydawane jej zdalnie za pomocą laptopa. D-Wave tłumaczy, że system jest zbyt delikatny, by go przenosić, stąd taka forma prezentacji. Co gorsza, dotychczas nie udostępniono szczegółowych danych na temat jej budowy i zasad działania, żaden niezależny ekspert nie mógł jej zbadać. Szefostwo D-Wave obiecało, że w najbliższym czasie udostępni szczegółowe informacje, obecnie jednak pozostaje jedynie próba złożenia razem szczątkowych wiadomości z różnych źródeł.
Wszystko wskazuje na to, że maszyna korzysta z 16 qubitów, które, zdaniem D-Wave, odpowiadają 1 bitowi. Procesor komputera został zbudowany z aluminium i niobu przy wykorzystaniu tradycyjnych technik litograficznych i musi być schłodzony do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Qubity składają się z niewielkich obwodów w kształcie okręgów, w których krąży prąd. Kierunek przepływu prądu jest różny w sąsiadujących ze sobą obwodach dając jednocześnie dwie różne wartości.
Do każdego zadania maszyna musi być osobno konfigurowana. Konfiguracja polega na określeniu początkowych wartości dla każdego z obwodów oraz jego interakcji z innymi obwodami. Następnie maszyna jest wprawiana w ruch. Wyniki odczytywane są z końcowego stanu całego systemu. Wskutek wspomnianego wcześniej schłodzenia elektrony obu metali wchodzących w skład procesora stają się bozonami i, prawdopodobnie, również biorą udział w obliczeniach. Podczas pokazu komputer poradził sobie z dopasowaniem molekuły do wzorca, rozmieszczeniem gości na przyjęciu weselnym i ułożeniem puzzli. Na razie istnieje więcej pytań niż odpowiedzi. Sami przedstawiciele D-Wave mówią, że ich maszyna może wykonywać tylko pewne rodzaje obliczeń i przyznają, że przy próbach zwiększenia liczby qubitów ( czyli mocy ), trudno będzie utrzymać ich stany kwantowe. Mimo to obiecują, że do 2008 roku rozbudują ją do około 1000 qubitów ( 64 bity? ) i będzie ona komercyjnie dostępna.
I po co to komu?
"Użytkowników nie obchodzą kwantowe obliczenia, użytkownikom zależy na przyspieszeniu pracy" - mówi powiedział Neil Martin, szef D-Wave. "Prace nad komputerem kwantowym ogólnego przeznaczenia to strata czasu. Można wydać setki miliardów dolarów i nie stworzyć takiej maszyny" - dodał. Przyznał, że nie ma ostatecznego dowodu na to, że Orion korzysta z praw mechaniki kwantowej, choć wiele na to wskazuje.
Przyszłość komputerów kwantowych to nie tylko wspomniana już kryptografia. Maszyny takie przydadzą się też w nauce i biznesie. W wielu dziedzinach nauki i gospodarki, od meteorologii, poprzez biometrykę, a na logistyce kończąc potrzebne są olbrzymie moce obliczeniowe. Współczesne komputery nigdy nie będą w stanie dać nam odpowiedzi na niektóre pytania. Zadać je musimy komputerom kwantowym - a na te, jak twierdzi większość uczonych, musimy poczekać jeszcze około 20 lat.
Wykorzystane w tekście fotografie zostały udostęnione przez firmę D-Wave.