Czy obliczenia kwantowe kształtują przyszłość? Historia, wyzwania, ryzyko i korzyści

Nie tak dawno temu ograniczenia klasycznych komputerów popchnęły naukowców do opracowania nowego rodzaju obliczeń – obliczeń kwantowych. Komputery kwantowe używają kubitów zamiast klasycznych bitów i mogą wykonywać pewne obliczenia znacznie szybciej niż klasyczne komputery. Ta zaleta może potencjalnie przekształcić wiele dziedzin i uczynić nasze życie lepszym. W tym artykule przedstawimy przegląd obliczeń kwantowych, w tym branż i dziedzin, które mogą zostać zrewolucjonizowane przez obliczenia kwantowe. Omówimy także wyzwania i ryzyko związane z tą technologią, a także to, co przyniesie jej przyszłość.

Wnętrze systemu komputerowego IBM Quantum. (Źródło: IBM )

Co to jest przetwarzanie kwantowe?

Informatyka przeszła długą drogę od czasu opracowania teorii kwantowej w latach dwudziestych XX wieku, a pierwszy programowalny komputer, Elektroniczny Integrator Numeryczny i Komputer ( ENIAC ), został zbudowany w 1945 roku. Maszyna była pierwszą „automatyczną, elektroniczną, ogólnego przeznaczenia, dziesiętny, cyfrowy komputer” – jak podaje książka Edwina D. Reilly’ego „Kamienie milowe w informatyce i technologii informacyjnej”. Czym właściwie jest przetwarzanie kwantowe? Krótko mówiąc, jest to szybko rozwijająca się technologia, która wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej do rozwiązywania złożonych problemów w sposób bardziej wydajny i wydajny niż klasyczne komputery. W przypadku niektórych problemów superkomputery nie są aż tak super. W swej istocie obliczenia kwantowe opierają się na wykorzystaniu bitów kwantowych (kubitów) do przetwarzania informacji i manipulowania nimi. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które mogą istnieć tylko w jednym z dwóch stanów (0 lub 1), kubity mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie ze względu na zjawisko superpozycji. Dzięki temu komputery kwantowe mogą wykonywać wiele obliczeń jednocześnie. Inną kluczową zasadą obliczeń kwantowych jest splątanie , które umożliwia korelację kubitów w taki sposób, że stan jednego kubitu może natychmiast wpłynąć na stan drugiego, nawet jeśli są one fizycznie oddzielone. Dzięki temu komputery kwantowe mogą wykonywać określone zadania znacznie szybciej niż superkomputery – rozkładać na czynniki duże liczby, przeszukiwać duże bazy danych itp.

Jak działają komputery kwantowe?

Jak już wspomniano, komputery kwantowe używają kubitów zamiast bitów do uruchamiania wielowymiarowych algorytmów kwantowych. Kubity są tworzone przy użyciu nadprzewodników, które wykazują efekty mechaniki kwantowej, takie jak pary Coopera, które mogą przenosić ładunek przez izolatory poprzez tunelowanie kwantowe. Zachowaniem kubitów można sterować i manipulować nimi, strzelając w nie fotonami mikrofalowymi. Kubity można umieścić w stanie superpozycji, reprezentującym kombinację wszystkich możliwych konfiguracji kubitu. Grupy kubitów w superpozycji mogą tworzyć złożone przestrzenie obliczeniowe, które mogą reprezentować złożone problemy na nowe sposoby. Komputery kwantowe są mniejsze i wymagają mniej energii niż superkomputery, ale muszą być bardzo zimne, co osiąga się dzięki zastosowaniu superchłodzonych nadcieczy.

Schematyczne zbliżenie nadprzewodzącego kubitu IBM, w tym powiększony widok jego złącza Josephsona

Obecny stan obliczeń kwantowych

Obliczenia kwantowe to szybko rozwijająca się dziedzina, która zrewolucjonizuje sposób rozwiązywania złożonych problemów. Kilka firm, w tym IBM, Google i Rigetti, zbudowało już komputery kwantowe i wykorzystuje je. Komputery te mają wielkość od kilku kubitów do ponad 100 kubitów, a każdy z nich ma swoją własną, unikalną architekturę i zestaw możliwości.

• W 2017 roku Rigetti ogłosił dostępność publicznej wersji beta Forest 1.0, pierwszego na świecie pełnego środowiska programistycznego do obliczeń kwantowych.
• Google Sycamore to procesor kwantowy posiadający 53 kubity. Został opracowany w 2019 roku i miał wykonać zadanie w 200 sekund, którego wykonanie najwyższej klasy superkomputerowi zajęłoby 10 000 lat.
• Komputer kwantowy IBM Quantum System One został wprowadzony przez IBM również w 2019 roku. Zawiera 20-kubitowy transmonowy procesor kwantowy umieszczony w systemie komputerowym o wymiarach 2,7 x 2,7 x 2,7 metra. Co ciekawe, IBM ogłosił na konferencji IBM Quantum Summit 2022 nowy 433-kubitowy procesor „Osprey”.

„Nowy procesor Osprey o wielkości 433 kubitów przybliża nas o krok do punktu, w którym komputery kwantowe będą wykorzystywane do rozwiązywania wcześniej nierozwiązywalnych problemów” – dr Darío Gil, starszy wiceprezes IBM i dyrektor ds. badań. Oprócz rozwoju sprzętu postępują także narzędzia programowe do obliczeń kwantowych. Języki programowania, takie jak Q# i Qiskit, umożliwiają programistom pisanie programów kwantowych i uruchamianie ich na sprzęcie kwantowym lub symulatorach. Jednak obliczenia kwantowe nadal stoją przed pewnymi wyzwaniami i ograniczeniami. Najważniejszym z nich jest korekcja błędów . W trakcie działania programu kwantowego błędy szybko się kumulują, co stanowi wyzwanie dla naukowców. Dlatego opracowanie skutecznych metod korekcji błędów ma kluczowe znaczenie dla budowy niezawodnych komputerów kwantowych na dużą skalę. Kolejnym istotnym ograniczeniem jest skalowalność . Chociaż istnieją już komputery kwantowe z dziesiątkami lub setkami kubitów, zbudowanie wielkoskalowego komputera kwantowego z tysiącami lub milionami kubitów nadal stanowi wyzwanie. Istnieje jednak optymizm, że wyzwania te zostaną przezwyciężone w nadchodzących latach, torując drogę do szerszego zastosowania obliczeń kwantowych. Systemy IBM Quantum obiecują skalować się do ponad 4000 kubitów do roku 2025 i później.

Jak obliczenia kwantowe zmieniają świat? Zastosowania w życiu codziennym

Mając to na uwadze, istnieje już kilka przypadków użycia w różnych branżach, w których obliczenia kwantowe wykazują niesamowite wyniki.

Opieka zdrowotna

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów jest opieka zdrowotna. Komputery kwantowe mogą symulować zachowanie cząsteczek i materiałów dokładniej niż komputery klasyczne, co mogłoby przyspieszyć odkrywanie nowych leków i metod leczenia chorób. Na przykład algorytmy kwantowe, takie jak Variational Quantum Eigensolver (VQE), można wykorzystać do dokładniejszego obliczania struktury elektronowej cząsteczek niż metody klasyczne. Ponadto obliczenia kwantowe można wykorzystać do analizowania dużych zbiorów danych pochodzących z dokumentacji medycznej i badań klinicznych w celu określenia nowych celów w zakresie odkrywania leków. Innym przykładem wykorzystania obliczeń kwantowych w opiece zdrowotnej jest wirtualna kontrola kandydatów na leki. Wiąże się to z przeszukiwaniem dużych baz danych potencjalnych leków w celu zidentyfikowania tych o pożądanych właściwościach. Obliczenia kwantowe są w stanie przyspieszyć ten proces poprzez efektywne przeszukiwanie ogromnych ilości danych, co prowadzi do szybszego odkrywania i opracowywania leków.

Finanse

Innym ważnym zastosowaniem obliczeń kwantowych może być optymalizacja problemów, takich jak te spotykane w sferze finansów. Obliczenia kwantowe można wykorzystać do poprawy modelowania finansowego i zarządzania ryzykiem. Algorytmy kwantowe można na przykład wykorzystać do szybkiej analizy dużych zbiorów danych i przewidywania trendów rynkowych. Ponadto kryptografia kwantowa może służyć do zabezpieczania transakcji finansowych i ochrony przed cyberzagrożeniami. Kwantowa dystrybucja klucza (QKD) to technika wykorzystująca zasady mechaniki kwantowej do bezpiecznego przesyłania kluczy szyfrujących między dwiema stronami. QKD wykorzystuje moc splątanych kubitów, aby stworzyć klucz, którego nie da się przechwycić bez wykrycia.

Logistyka

Obliczenia kwantowe można potencjalnie wykorzystać do optymalizacji zarządzania łańcuchem dostaw, zmniejszenia kosztów transportu i skrócenia czasu dostaw. Na przykład algorytmy kwantowe można wykorzystać do szybkiej analizy najbardziej efektywnych tras transportu i dystrybucji. Ponadto obliczenia kwantowe można wykorzystać do rozwiązywania złożonych problemów związanych z planowaniem lotów, takich jak te spotykane w przypadku planowania rozkładów linii lotniczych i kolei.

Energia

Algorytmy kwantowe można wykorzystać do symulacji zachowania materiałów stosowanych w urządzeniach magazynujących energię, co doprowadzi do opracowania bardziej wydajnych akumulatorów. Poza tym obliczenia kwantowe można wykorzystać do optymalizacji produkcji energii poprzez analizę wzorców pogodowych i przewidywanie zapotrzebowania na energię.

Produkcja

Ponieważ obliczenia kwantowe umożliwiają analizowanie dużych zbiorów danych i przewidywanie optymalnych harmonogramów produkcji, mogą być bardzo przydatne również w produkcji. Jak widać, potencjalne zastosowania obliczeń kwantowych są ogromne i istnieje wiele branż, które mogą zostać przekształcone dzięki tej technologii.

„Strach” przed przyszłością

Z tego wszystkiego łatwo wyciągnąć wniosek, że wpływ obliczeń kwantowych na społeczeństwo będzie znaczący. I tak jak w przypadku każdej innej rewolucyjnej technologii, z obliczeniami kwantowymi wiążą się pewne zagrożenia. Jednym z najważniejszych wyzwań są etyczne i społeczne implikacje tej technologii. Obliczenia kwantowe mogą potencjalnie złamać wiele metod szyfrowania stosowanych do zabezpieczania wrażliwych danych, co może prowadzić do naruszeń prywatności i innych problemów związanych z bezpieczeństwem. Ponadto obliczenia kwantowe można wykorzystać do opracowania nowej broni i technologii, które mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa globalnego.

Streszczenie

Chociaż obliczenia kwantowe niosą ze sobą szereg wyzwań i zagrożeń, wiele organizacji aktywnie pracuje nad ich rozwiązaniem, opracowując nowe metody szyfrowania, ulepszając sprzęt i oprogramowanie kwantowe, a także zapewniając możliwości szkoleń i edukacji. Wierzymy zatem, że obliczenia kwantowe w dobry sposób zrewolucjonizują świat. Opracowując solidne i niezawodne technologie kwantowe, możemy uwolnić pełny potencjał obliczeń kwantowych i stworzyć lepszą przyszłość dla informatyki i całego społeczeństwa. Nadszedł czas na działanie, więc kontynuuj odkrywanie świata technologii z CodeGym!