Dlaczego mimo tego, ?e o komputerach kwantowych mówi si? od lat 80-tych, to dopiero w ostatnich kilku latach zacz??y one budzi? du?e emocje? Specjali?ci twierdz? wr?cz, ?e jeste?my coraz bli?ej przekroczenia granicy, je?li chodzi o szybko?? procesów obliczeniowych.
Wspó?czesne procesory sk?adaj? si? z miliardów tranzystorów wielko?ci kilku nanometrów zgrupowanych na bardzo ma?ej powierzchni. Wed?ug prawa Moore’a, liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja si? co mniej wi?cej dwa lata. Niestety, wzrost mocy obliczeniowych w procesorach ulega ci?g?emu spowolnieniu. Powoli osi?gamy bowiem granice technologiczne w mo?liwo?ciach “upakowania” coraz wi?kszej liczby tranzystorów na tak ma?ych powierzchniach. Granica, której fizycznie przekroczy? si? nie da to tranzystor o rozmiarze pojedynczego atomu oraz pojedynczy elektron s?u??cy do prze??czania jego stanu od 0 do 1.
Sk?d bior? si? wielkie zalety komputera kwantowego? Najpro?ciej mo?na to wyt?umaczy? przez porównanie go do komputera tradycyjnego. Urz?dzenie, które znamy z codziennej pracy, dokonuje wszystkich operacji, wykorzystuj?c podstawowe jednostki informatyczne, jakimi s? bity. A te mog? reprezentowa? w zasadzie tylko dwa stany: 0 i 1. W przypadku komputera kwantowego mówimy o wykorzystaniu stanu po?redniego, czyli wyj?ciu poza schemat dwóch przeciwnych warto?ci. Kubit (od bitów kwantowych) – bo tak si? nazywa jednostka urz?dze? kwantowych – mo?e przyjmowa? jednocze?nie warto?? 0 i 1, a dok?adnie mo?e przyjmowa? niesko?czon? liczb? stanów mi?dzy 0 a 1. Taki stan nazywa si? superpozycj?. Dopiero podczas sprawdzenia warto?ci kubita, przyjmuje on jeden z dwóch stanów podstawowych – 0 lub 1. Wydaje si?, ?e to ma?a ró?nica, jednak?e kubit znajduj?cy si? w stanie superpozycji mo?e podczas oblicze? wykonywa? wiele polece? jednocze?nie. Pomagaj? nam tu podstawowe zasady fizyki kwantowej. Fizycznie kubit mo?e by? reprezentowany przez dowolny uk?ad kwantowy o dwóch ró?nych stanach podstawowych, na przyk?ad spinu elektronu lub atomu, dwóch poziomów energetycznych w atomie czy dwóch poziomów polaryzacji fotonu – pionow? i poziom?. O ile w klasycznym komputerze bit przechowuje dwie warto?ci, dwa bity przechowuj? cztery warto?ci itd., dwa kubity przechowuj? nie jedn?, a cztery warto?ci jednocze?nie. Bezpo?redni? konsekwencj? tego faktu jest to, ?e komputer kwantowy potrafi dokonywa? jednocze?nie wielu operacji na raz, czego nie potrafi urz?dzenie tradycyjne. By jeszcze bardziej u?ci?li?: kwantowy stan, o którym mowa, doprowadza nas do sytuacji, w której maszyna przetwarza pot??ne zbiory danych w niewyobra?alnie krótkim czasie. Wyobra?my sobie tak poka?ne zbiory, ?e ich przetworzenie wymaga?oby milionów lat, gdyby?my wykorzystali do tego celu komputery tradycyjne. Ta ca?kowicie abstrakcyjna sytuacja nabiera realno?ci, gdy zaczynamy mówi? o u?yciu komputera kwantowego. Potrafi on liczy? nawet o setki tysi?cy – a w za?o?eniu miliony – razy szybciej od urz?dze? zbudowanych w oparciu o zaawansowane podzespo?y krzemowe! Idealne zastosowanie dla takiej maszyny to rozpoznawanie obiektów z ogromnego zasobu zdj??, obliczenia na du?ych liczbach, czy szyfrowanie i ?amanie szyfrów. Operuj?c na danych matematycznych, t? ró?nic? w wydajno?ci mi?dzy kwantowym a tradycyjnym komputerem mo?emy teoretycznie zwi?kszy? nawet do poziomu 1:18 000 000 000 000 000 000 razy!
Niestety, kubity musz? by? ca?kowicie odizolowane od otoczenia, s? bowiem bardzo nietrwa?e i mog? by? niszczone mi?dzy innymi przez zmiany temperatury otoczenia, promieniowanie zewn?trzne, ?wiat?o czy zderzenia z cz?steczkami powietrza. Dlatego pró?nia, superniska temperatura i pe?na izolacja ?rodowiska s? konieczne.
Aby przybli?y?, z jak ciekawym, a jednocze?nie kontrowersyjnym, zjawiskiem mamy do czynienia, przytocz? przyk?ady skrajnych reakcji przedstawicieli bran?y IT. Nie tak dawno jeden z przedstawicieli Google stwierdzi?, ?e kwantowy komputer D-Wave rozwi?za? zadany mu problem w czasie 1 sekundy. Standardowy potrzebowa?by na to podobno 10 000 lat! Z drugiej strony nierzadkie s? opinie jak ta, któr? wyrazi? fizyk Matthias Toyer. Gdy trzy lata temu og?oszono, ?e komputer The D-Wave2 w specjalnym te?cie rozwi?za? wyznaczone mu zadanie o 3600 razy szybciej, ni? komputer tradycyjny, naukowiec zakwestionowa? te wyniki wykazuj?c, ?e trudno mówi? o takiej wydajno?ci, bo ?adne dowody jej nie potwierdzaj?. Najlepszym podsumowaniem zamieszania na tym polu mog? by? s?owa pracownika Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w USA, Davida Winelanda, który powiedzia?: „Jestem optymist?, co do tego, ?e w d?u?szej perspektywie osi?gniemy sukces. Jednak ten “d?u?szy czas” oznacza, ?e nie wiem, kiedy to nast?pi”.
Do dzia?ania komputera kwantowego potrzeba systemu do sterowania, odpowiednika system operacyjnego, algorytmów pozwalaj?cych przeprowadzi? kwantowe obliczenia i oprogramowania do oblicze?. Tworzenie algorytmów kwantowych jest bardzo trudne, bo musz? one by? opracowywane w oparciu o zasady mechaniki kwantowej. Oznacza to, ?e uruchamiaj?c ten sam algorytm na komputerze kwantowym dwukrotnie, mo?na otrzyma? zupe?nie ró?ne wyniki ze wzgl?du na losowo?? samego procesu. Z tego wynika, ?e – upraszczaj?c – dla uzyskania wiarygodnych wyników obliczenia nale?y uwzgl?dnia? zasady prawdopodobie?stwa.
Brzmi to jak bardzo skomplikowany proces. I, niestety, tak jest. Komputery kwantowe nadaj? si? do bardzo wyspecjalizowanych, okre?lonych oblicze? – algorytmów, które pozwol? zaprz?gn?? ca?? ukryt? w nich moc. Czyli komputery kwantowe nie pojawi? si? na ka?dym biurku i w ka?dym domu. Nie mia?oby to najmniejszego sensu. Jednak bez wzgl?du na to, ile czasu potrzebujemy na uzyskanie danego wyniku pracy algorytmu, mo?emy ju? dzisiaj wyobrazi? sobie sytuacj?, w której do rozwi?zania konkretnego problemu anga?ujemy maszyn? kwantow?. Przyk?adowo, gdyby?my za?o?yli, ?e chcemy przetworzy? miliardy zmagazynowanych danych medycznych, które zwi?zane s? z poszukiwaniem leku na raka, to w?a?nie komputer kwantowy, przy zastosowaniu odpowiednich algorytmów, móg?by zbli?y? nas do stworzenia skutecznej receptury. Bo mo?liwo?? interpretacji tych wszystkich danych, bez pope?nienia b??du, czy bez przeoczenia istotnych informacji, jest praktycznie niemo?liwa dla ludzkiego mózgu czy tradycyjnego komputera.
Technologie kwantowe mog? wp?yn?? te? mocno na takie obszary ludzkiej aktywno?ci, jak: astronomia, matematyka czy fizyka. Komputery kwantowe mog? b?yskawicznie przeszukiwa? olbrzymie ilo?ci danych – by? mo?e to jest g?ówny powód, dlaczego s?u?by specjalne i Google tak inwestuj? w t? technologi?. Komputery kwantowe mog? by? idealnymi narz?dziami do ?amania szyfrów. Metod? RSA, chroni?c? po??czenia przegl?darek internetowych i po??czenia w aplikacjach bankowo?ci mobilnej i internetowej mo?na by b?yskawicznie z?ama? za ich pomoc?. Pono? jest to te? pierwsza technologia, która zagrozi algorytmom kryptograficznym blockchain.
Jak wida? technologia ma nie tylko blaski, ale i cienie. Czy mo?liwe b?dzie dalsze dzia?anie zabezpiecze? szyfruj?cych, funkcjonuj?cych do tej pory w naszym ?wiecie? Czy b?dziemy w stanie zabezpieczy? si? przed niebezpiecze?stwem ?amania najwa?niejszych dla nas szyfrów i kodów, których do tej pory pokona? si? nie da?o? Jak b?dzie wygl?da? ?wiat, w którym ka?da informacja b?dzie dost?pna w mgnieniu oka? W mgnieniu oka, ale oczywi?cie nie dla wszystkich, tylko tych, którzy b?d? wyposa?eni w komputery kwantowe.
Blog: https://norbertbiedrzycki.pl
Powi?zane artyku?y:
– Upadek hierarchii, czyli kto w?a?ciwie rz?dzi w Twojej firmie
– Koniec ?ycia jakie znamy, czyli witajcie w zdygitalizowanym ?wiecie
– Twoi klienci przybywaj? z przysz?o?ci, a ty gdzie jeste??
– Blockchain ma potencja? do wzruszenia podstawowych filarów naszego spo?ecze?stwa
