Jak działają komputery kwantowe? "Rozwiążą problemy, z którymi dziś sobie nie radzimy"

prof. Artur Ekert prowadzi badania w zakresie podstaw mechaniki kwantowej oraz kwantowego przetwarzania informacji.
prof. Artur Ekert prowadzi badania w zakresie podstaw mechaniki kwantowej oraz kwantowego przetwarzania informacji. fot. materiały prasowe
Komputery kwantowe robią w ostatnim czasie furorę w mediach. Jednak niewiele osób wie, czym one są i jak naprawdę działają. O komputerach kwantowych opowiada w rozmowie z INNPoland, prof. Artur Ekert, fizyk prowadzący badania w zakresie podstaw mechaniki kwantowej oraz kwantowego przetwarzania informacji.


Z profesorem Ekertem z University of Oxford i National University of Singapore, członkiem Royal Society. spotykamy się z okazji jego wykładu dotyczącego kwantowej kryptografii podczas konferencji ESGI144. Podczas tego "matematycznego hackatonu", który trwa w Warszawie od 17 do 24 marca, międzynarodowe zespoły rozwiązują problemy praktyków z przemysłu. Polska już po raz drugi w 50-letniej historii ESGI będzie gospodarzem tych prestiżowych warsztatów.


Wyobraźmy sobie, że mamy osobę, która ostatnią lekcję z matematyki czy z fizyki ma już dawno za sobą. Jak wyjaśnić jej działanie komputera kwantowego?

Trzeba zacząć od tego, że świat jaki jest, każdy widzi. Każdy z nas ma intuicję, która pozwala nam przewidywać, co stanie się w przyszłości. Na przykład - jeśli upuścimy filiżankę, ona spadnie na ziemię, kawa się rozleje. Oczywiście można to opisać równaniami matematycznymi, ale nie ma takiej potrzeby - każdy to rozumie.


Problem polega na tym, że gdybyśmy weszli do świata atomów i chcieli zobaczyć i zrozumieć jak te atomy wyglądają, jak się zachowują, nasza intuicja zawiodłaby nas. Zjawiska, które tam byśmy obserwowali, byłyby z nią sprzeczne. Na przykład niektóre atomy mogą być jednocześnie w dwóch miejscach. Albo dwa atomy w dwóch różnych miejscach mogą zachowywać się w taki sposób, jakby jeden dokładnie wiedział, co robi drugi. To tak, jakby nagle ktoś wyszedł jednocześnie przez dwoje drzwi. W świecie atomowym to jest możliwe.


I teraz okazało się, że fizycy są w stanie coraz bardziej te dziwaczne, kwantowe zjawiska kontrolować. I kiedy zaczęli je kontrolować, to zwrócili uwagę, że takie zjawiska mogą być przydatne do wykonywania obliczeń.

To zjawisko wychodzenia jednocześnie przez dwoje drzwi może dla komputera oznaczać dwa procesy obliczeniowe. Każdy proces to przejście przez sekwencję operacji matematycznych. I one mogą wydarzyć się jednocześnie w obrębie tego samego procesora. A to oznacza potencjalnie większą moc obliczeniową. I to daje szaloną przewagę, jeśli uda nam się zbudować takie urządzenie, co nie jest wcale łatwe.

Dlaczego?

Wracając do tego porównania z drzwiami - proces obliczeniowy to przejście przez strukturę skomplikowanych korytarzy, który trzeba umiejętnie kontrolować. Okazuje się, że to, którymi drzwiami człowiek wyjdzie z budynku, zależy od całej trasy, jaką pokonał wcześniej. To jest wyzwanie technologiczne, ale jeśli się uda, to otrzymamy komputer, który będzie znacznie bardziej wydajny, będzie miał większą moc obliczeniową. Będzie w stanie rozwiązać problemy, z którymi współczesne komputery sobie nie radzą.

Na przykład jakie?

Takim klasycznym przykładem jest szyfrowanie. W tej chwili, kiedy zamawiamy coś ze sklepu internetowego, często płacimy kartą kredytową. I ta transakcja zabezpieczona jest tak, żeby nasze dane były bezpieczne. W tym celu używa się szyfrów, bazujących na matematycznych problemach.

My oczywiście nie widzimy tej matematyki, natomiast korzystamy z tych narzędzi, nawet o nich nie wiedząc. Te narzędzia bazują na problemie matematycznym, który nazywamy faktoryzacją. Chodzi tu o to, że duże liczby można rozłożyć na mniejsze. Na przykład piętnaście to iloczyn liczb trzy i pięć. Jednak jeśli chcemy dokonać faktoryzacji większych liczb, zaczynamy mieć z tym problem. Im więcej cyfr, tym większy.

Dochodzi do tego, że przy liczbach mających setki cyfr, problem z tym mają najsilniejsze komputery. I na tej matematyce bazują zabezpieczenia kart płatniczych. Jest to bezpieczne właśnie dlatego, że nawet największe komputery nie są w stanie w sensownym czasie dokonać tej faktoryzacji. Ale okazuje się, że kwantowe komputery, przy pomocy specjalnego algorytmu, potrafią rozwiązać tego typu zadania od razu. Kiedy więc będziemy mieli komputery kwantowe, będziemy musieli przemyśleć, w jaki sposób szyfrować rzeczy w internecie.

Technologia kwantowa dotknie także posiadaczy bitcoina?

Tak. Kryptowaluty przestają być bezpieczne. W przypadku bitcoina mamy dwa elementy, które na to wpłyną. Po pierwsze chodzi o podpis elektroniczny, który zabezpiecza dostęp do naszego konta, który też może zostać rozszyfrowany przez komputery kwantowe.

Będą one mogły także namieszać, jeśli chodzi o samo tworzenie tej waluty. Już istnieje dobry, kwantowy algorytm na szybkie przeszukiwanie bazy danych, co w uproszczeniu wpływa na szybkość tworzenia nowych bitcoinów. Przetrwanie kryptowalut wymagać będzie stworzenia jakichś "nasadek", które będą odporne na działanie komputerów kwantowych.

Jak do tych zadań nadają się aktualnie dostępne na rynku komputery kwantowe? Chociażby ten, którym chwalił się Intel podczas targów CES lub ten produkowany przez polską firmę?

Nie bardzo. Jest spora różnica pomiędzy medialną percepcją komputerów kwantowych a rzeczywistością. To nie oznacza, że ja nie doceniam wysiłków tych firm, jestem wręcz ich kibicem. Ale w tej chwili mamy do czynienia nie tyle z kwantowymi komputerami, co z kwantowymi liczydłami.
Ta technologia jest, ona rodzi się w bólach, ale w tej chwili jest szalenie niedokładna. Wyniki, które otrzymujemy z zestawienia dwóch prostych bramek logicznych, trudno odróżnić od białego szumu. Nie można więc powiedzieć, że w tej chwili mamy kwantowe urządzenia o mocy większej niż klasyczny komputer. Pracuje się nad tym w tej chwili, by z tego białego szumu (przypominającego słuchanie radia Wolna Europa) wyciągnąć użyteczne informacje.

Kiedy zatem na rynku pojawią się komputery, które staną się rzeczywiście użyteczne?

Trudno ten czas określić. W tej chwili myśli się o tym, jakie problemy można będzie rozwiązywać przy pomocy aktualnie istniejących na rynku maszyn. Możliwe, że będą na przykład rozwiązywać problemy optymalizacyjne.

Być może następna generacja komputerów będzie w stanie tworzyć nowe materiały, których nie dałoby się wytworzyć naturalnymi, chemicznymi metodami. W tej chwili otwierają się szanse dla ludzkiej pomysłowości - może tych przykładów jest niewiele, ale jednak są i będą coraz częściej powstawać.

I to, że IBM pokazał, że ta technologia istnieje, zwiększyło zainteresowanie nią. Ludzie zaczynają zastanawiać się, co będzie można na nich zrobić i myślę, że w ciągu dwóch, trzech lat zobaczymy jak ta technologia się rozwinie.

Na czym skupiają się w tej chwili producenci komputerów kwantowych?

Ich rozwój idzie w dwóch kierunkach. Fizycy są zainteresowani usuwaniem niedoskonałości w ich działaniu - czasem działania chociażby. Wiele osób, które zajmowały się do tej pory superprecyzyjnymi zegarami atomowymi, teraz przeszło do budowania komputerów kwantowych. Wynika to z tego, że oba te zadania wymagają równie precyzyjnych narzędzi. To pomaga udoskonalać technologię.

Informatycy z kolei są coraz bardziej zainteresowani szukaniem pytań, na które komputery kwantowe mogą odpowiedzieć. To też jest dobra dziedzina badań. Zamiast platońskiej wizji komputera, mamy sprzęt, który jest zaszumiony. I teraz skupmy się na tym, co możemy z nim zrobić.

W tej chwili już wiemy, co trzeba zrobić, by kwantowe liczydła zamienić w komputery z prawdziwego zdarzenia?

W tej chwili trzeba skupić się na tolerowaniu błędów w procesie obliczeń. Same bramki logiczne, które dokonują obliczeń, popełniają błędy. Te błędy są poprawiane przez inne bramki, które również popełniają błędy same z siebie. Trzeba zorganizować taki system, który będzie pozwalał na poprawianie obliczeń, nawet jeśli błędy spowodowane są przez procedury naprawy błędów.

Chodzi o to, by nie generować procedur naprawy błędów w nieskończoność. Można to zrobić, tylko trzeba mieć do tego bardzo precyzyjne elementy, co jest wyzwaniem technologicznym. Ponadto wyzwanie stoi przed twórcami oprogramowania, którzy muszą te precyzyjne elementy wykorzystać.

Czym różni się programowanie na komputerze zwykłym od komputera kwantowego?

W pewnym sensie można o tym myśleć jako o bardzo podobnym procesie. Tak jak na początku komputerów, te kwantowe programuje się w językach maszynowych. Ale z drugiej strony, przy użyciu istniejących języków programowania można zasymulować działanie kwantowego komputera. Są więc pewne różnice, choć w tej chwili są one niewielkie.

Uważam jednak, że uczenie programowania na komputerach kwantowych ma głęboki sens. Jakiś czas temu dawałem wykłady w RPA. I wydawało mi się, że po tym co tam mówiłem, ćwiczenia programowania na kwantowym komputerze nie będą miały już sensu, że wszystko zostało już powiedziane. I to był błąd. Ten entuzjazm, który widziałem u studentów generował wiele ciekawych interakcji.