Wstęp

Wyobraź sobie świat, w którym problemy matematyczne, które tradycyjnym komputerom zajmują tysiące lat, mogą być rozwiązane w kilka sekund. To nie science fiction – to rzeczywistość, którą obiecują komputery kwantowe. W świecie szybkiego postępu technologicznego coraz więcej mówi się o tej nowej erze obliczeń. Ale czym są komputery kwantowe i jak różnią się od tradycyjnych maszyn, na których pracujemy na co dzień?

W tym artykule dokonamy szczegółowego porównania komputerów kwantowych i klasycznych, zgłębiając różnice w architekturze, sposobie działania oraz mocy obliczeniowej. Zanurzymy się w koncepcje kubitów, superpozycji i splątania, a także przyjrzymy się najnowszym osiągnięciom w dziedzinie obliczeń kwantowych. Dowiesz się również, jak komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować takie dziedziny jak kryptografia, farmakologia czy optymalizacja, i dlaczego ta technologia jest uważana za jeden z najbardziej ekscytujących przełomów XXI wieku.

Różnice w Architekturze - Bity vs Kubity

Podstawową różnicą między komputerami klasycznymi a kwantowymi jest sposób reprezentacji informacji:

• Komputer Klasyczny: Operuje na bitach, które mogą przyjmować wartość 0 lub 1.
• Komputer Kwantowy: Wykorzystuje kubity, które mogą znajdować się w stanie 0, 1 lub w superpozycji obu.

Czym jest Kubit?

Kubity, podstawowe jednostki informacji w komputerach kwantowych, różnią się od klasycznych bitów swoją unikalną zdolnością do reprezentowania wielu stanów jednocześnie. Dzięki zjawisku superpozycji kubit może znajdować się w stanie 0, 1 lub w obu jednocześnie z różnymi prawdopodobieństwami.

• Superpozycja: Kubit może znajdować się w superpozycji stanów, co oznacza, że reprezentuje jednocześnie 0 i 1. Superpozycja kwantowa można porównać do odtwarzania całej playlisty muzycznej jednocześnie, zamiast słuchania jednej piosenki na raz. W świecie kwantowym, kubit, podobnie jak odtwarzacz muzyki, jest w stanie „słuchać” wszystkich swoich potencjalnych stanów równocześnie. To stwarza złożoną symfonię możliwości, gdzie każdy stan kubitu jest jak osobna piosenka na liście. Gdy jednak dokonujemy pomiaru kubitu, czyli sprawdzamy, jaki stan reprezentuje w danym momencie — analogicznie do wybrania konkretnej piosenki do odsłuchu — wszystkie inne „piosenki” przestają grać. Wówczas „słyszymy” tylko jeden, wybrany stan, determinowany przez wcześniej ustawione prawdopodobieństwa. Ta wyjątkowa właściwość kubitów pozwala komputerom kwantowym na wykonanie wielu obliczeń równolegle. Dzięki temu mogą one znacznie szybciej przetwarzać skomplikowane zadania niż klasyczne komputery, które działają sekwencyjnie, podobnie do odtwarzacza muzyki grającego jedną piosenkę po drugiej.
• Splątanie: Dwa lub więcej kubitów mogą być splątane, co oznacza, że stan jednego z nich zależy od stanu pozostałych. Splątanie jest kluczowe dla przewagi obliczeniowej komputerów kwantowych. Splątanie kwantowe można porównać do pary bliźniąt, które bez względu na to, jak daleko od siebie się znajdują, natychmiast reagują na te same sytuacje w identyczny sposób. Wyobraź sobie, że każde z bliźniąt otrzymuje jedną z dwóch zabawek, ale nie wie, którą dostało, dopóki nie spojrzy. Jednak w momencie, kiedy jedno z bliźniąt odkryje, że trzyma misia, natychmiast wie, że drugie trzyma lalkę, bez względu na to, czy znajduje się w sąsiednim pokoju czy na innym kontynencie. W świecie kwantowym, gdy dwa kubity są splątane, ich stany są ze sobą ściśle powiązane na tak fundamentalnym poziomie, że pomiar stanu jednego kubitu natychmiast określa stan drugiego, nawet jeśli znajdują się one w ogromnej odległości od siebie. To jak odkrycie przez jedno z bliźniąt, że trzyma misia, natychmiastowo informuje je o tym, że drugie ma lalkę. Ten fenomen jest tak zdumiewający, ponieważ w tradycyjnym, klasycznym świecie, informacje nie mogą podróżować szybciej niż światło. Jednak w przypadku splątania kwantowego, wydaje się, że informacja o stanie jednego kubitu jest przekazywana do drugiego natychmiastowo, co Einstein określił mianem "upiornego działania na odległość".Splątanie kwantowe otwiera drzwi do nowych, rewolucyjnych technologii, takich jak kwantowa teleportacja, gdzie informacja o stanie kubitu może być "teleportowana" z jednego miejsca na drugie bez fizycznego przesyłania samego kubitu, oraz kwantowe sieci komunikacyjne, które mogą prowadzić do tworzenia niezwykle bezpiecznych systemów szyfrowania.

Przykład Kubitów Nadprzewodzących

Najpopularniejsza obecnie technologia implementacji kubitów polega na użyciu nadprzewodzących obwodów (ang. superconducting circuits). Wykorzystują one efekt Josephsona, tworząc nadprzewodzące kubity, które można kontrolować za pomocą impulsów mikrofalowych.

Jak działają kubity nadprzewodzące?

1. Zjawisko Nadprzewodnictwa: W temperaturach bliskich zeru absolutnemu (około -273°C), niektóre materiały stają się nadprzewodzące, co oznacza, że prąd przepływa przez nie bez oporu.
2. Efekt Josephsona: Gdy dwa nadprzewodzące materiały są rozdzielone cienką warstwą izolacyjną, tworzą tzw. złącze Josephsona. Prąd może przez nie przepływać w sposób kontrolowany, tworząc kubit nadprzewodzący.
3. Kontrola Mikrofalowa: Impulsy mikrofalowe mogą zmieniać stan kubitu nadprzewodzącego między 0, 1 i stanami pośrednimi.

Bramki Logiczne

Bramki logiczne są podstawowymi elementami operacji zarówno w komputerach klasycznych, jak i kwantowych.

• Komputer Klasyczny: Operuje na bramkach logicznych (np. AND, OR, NOT), które manipulują bitami w sposób deterministyczny.
• Komputer Kwantowy: Używa bramek kwantowych (np. Hadamard, CNOT, Pauli-X), które manipulują kubitami w sposób probabilistyczny i zachowują superpozycję stanów.

Bramki Kwantowe:

1. Hadamard:
2. CNOT (Controlled-NOT):
3. Pauli-X:

Pamięć i Przechowywanie Danych

• Komputer Klasyczny: Przechowuje informacje w klasycznych rejestrach.
• Komputer Kwantowy: Wykorzystuje specjalne rejestry kwantowe, które przechowują dane w postaci splątanych kubitów.

Różnice w Przechowywaniu Danych

• Pamięć Komputerów Klasycznych: Dane przechowywane są jako ciągi bitów, co sprawia, że ilość przechowywanych informacji rośnie liniowo.
• Pamięć Komputerów Kwantowych: Dzięki splątaniu kubitów ilość przechowywanych informacji rośnie wykładniczo.

Przechowywanie danych w komputerach kwantowych za pomocą splątanych kubitów znacznie zwiększa gęstość informacji, pozwalając na reprezentowanie wielu stanów na pojedynczym kubicie. Dzięki zjawiskom superpozycji i splątania, operacje na danych mogą być przeprowadzane szybciej i bardziej efektywnie. Splątanie kwantowe zwiększa bezpieczeństwo danych, umożliwiając wykrywanie nieautoryzowanych prób dostępu poprzez natychmiastowe zmiany stanów splątanych kubitów.

Algorytmy Kwantowe vs Klasyczne

Algorytmy kwantowe mają potencjał przewyższania klasycznych w rozwiązywaniu niektórych problemów:

• Algorytm Shora: Rozkłada liczby na czynniki pierwsze w czasie wykładniczo szybszym niż klasyczne algorytmy. Ma ogromne znaczenie w kryptografii, ponieważ umożliwia łamanie popularnych systemów szyfrowania, takich jak RSA.
• Algorytm Grovera: Przyspiesza przeszukiwanie nieuporządkowanej bazy danych.

Porównanie Siły Obliczeniowej

Komputery kwantowe mają przewagę w zadaniach wymagających ogromnej mocy obliczeniowej, takich jak:

1. Symulacje Molekularne: Mogą dokładnie modelować interakcje chemiczne, co jest kluczowe dla odkrywania nowych leków i materiałów.
2. Optymalizacja w Dużej Skali: Problemy optymalizacyjne, takie jak problem komiwojażera, mogą być rozwiązane znacznie szybciej.
3. Przetwarzanie Danych dla Uczenia Maszynowego: Algorytmy kwantowe mogą przyspieszyć klasyfikację i klastrowanie danych.

Przykład Przewagi Kwantowej

W 2019 roku, Google osiągnęło tzw. supremację kwantową dzięki komputerowi kwantowemu o nazwie Sycamore. Zadanie, które przed nim postawiono, polegało na generowaniu określonych wyników z bardzo skomplikowanego testu matematycznego. W dużym uproszczeniu, chodziło o losowanie liczb zgodnie z określonymi zasadami, co dla zwykłych komputerów jest bardzo trudnym zadaniem. Dzięki specjalnym właściwościom kwantowym, jak superpozycja (możliwość bycia w wielu stanach jednocześnie) i splątanie (połączenie stanów kilku elementów),

• Klasyczny Superkomputer: Summit, jeden z najpotężniejszych superkomputerów klasycznych, nie był w stanie wygenerować takich próbek w rozsądnym czasie.

• Sycamore wykonał to zadanie w zaledwie 200 sekund. Dla porównania, jeden z najszybszych tradycyjnych komputerów, Summit, potrzebowałby około 10 000 lat, aby osiągnąć ten sam wynik.

Faktoryzacja Liczb z Użyciem Algorytmu Shora

Algorytm Shora to specjalny sposób matematyczny, który umożliwia komputerom kwantowym szybkie rozkładanie dużych liczb na mniejsze składniki, zwane czynnikami. Ta zdolność jest szczególnie ważna, ponieważ wiele współczesnych systemów zabezpieczeń opiera się na trudności rozkładania dużych liczb na czynniki przez tradycyjne komputery. Jeśli komputer kwantowy mógłby używać algorytmu Shora na dużą skalę, mógłby teoretycznie złamać wiele obecnych systemów szyfrowania bardzo szybko. Dotąd algorytm Shora został przetestowany tylko na prostych przykładach w laboratoriach, ale jego pełne wykorzystanie mogłoby zrewolucjonizować, a nawet naruszyć, obecną kryptografię i bezpieczeństwo danych.

‍

Przykłady Najlepszych Komputerów Kwantowych IBM Quantum

IBM oferuje komputery kwantowe dostępne w chmurze przez platformę IBM Quantum Experience. Model IBM Eagle ma 127 kubitów i jest jednym z najpotężniejszych komputerów kwantowych dostępnych komercyjnie.

• Technologia: Nadprzewodzące kubity.
• Charakterystyka: 127 kubitów, obwody mikrofalowe, system korekcji błędów.

Google Sycamore

Google's Sycamore wykorzystuje nadprzewodzące kubity i osiągnął supremację kwantową dzięki algorytmowi losowej próby obwodów (ang. random circuit sampling).

• Technologia: Nadprzewodzące kubity.
• Charakterystyka: 53 kubity, korekcja błędów.

Honeywell System Model H1

Honeywell oferuje komputer kwantowy oparty na pułapkach jonowych, który jest jednym z liderów w precyzji obliczeń.

• Technologia: Pułapki jonowe.
• Charakterystyka: 10 w pełni połączonych kubitów, precyzja obliczeń 99,99%.

Rigetti Aspen

Rigetti oferuje system Aspen-9 z 32 kubitami, który można wykorzystywać w chmurze za pośrednictwem platform takich jak Amazon Braket.

• Technologia: Nadprzewodzące kubity.
• Charakterystyka: 32 kubity, system korekcji błędów.

Ciekawostki Związane z Komputerami Kwantowymi

1. Kwantowa Komunikacja: Chiny stworzyły pierwszy na świecie satelitę do komunikacji kwantowej, Micius, wykorzystując zjawisko splątania. Dzięki temu dane mogą być przesyłane w sposób całkowicie bezpieczny, ponieważ każda próba podsłuchu zmienia stan splątanych fotonów. (https://www.youtube.com/watch?v=4QlcKuxDGrs)

1. Kwantowe Gry Komputerowe: Pierwsze gry komputerowe korzystające z algorytmów kwantowych są już opracowywane. Na przykład Quantum Chess wykorzystuje mechanikę kwantową, taką jak superpozycja i splątanie, do tworzenia nowych zasad gry.
2. Quantum Supremacy: Wyścig o supremację kwantową trwa, a wiodące firmy, takie jak IBM, Google i Honeywell, inwestują miliardy dolarów w rozwój tej technologii.

Oto bardziej szczegółowy opis ostatnich osiągnięć w dziedzinie komputerów kwantowych w 2024 roku:

1. Postęp Microsoftu w rozwijaniu kubitów Majorana: Microsoft zrobił znaczący krok naprzód w rozwoju kubitów opartych na cząstkach Majorana, które mogą znacząco poprawić stabilność i skalowalność komputerów kwantowych. Cząstki Majorana są teoretycznie idealne do zastosowań w komputerach kwantowych ze względu na ich unikalne właściwości, które mogą zminimalizować błędy kwantowe. Dzięki temu osiągnięciu, Microsoft może zbliżać się do realizacji bardziej efektywnego i skalowalnego modelu obliczeń kwantowych (The Quantum Insider).
2. IonQ i splątanie foton-jon: Firma IonQ osiągnęła przełom, udanie generując splątane stany foton-jon, co umożliwia komunikację kwantową pomiędzy różnymi urządzeniami przetwarzającymi. To osiągnięcie jest kluczowe dla rozwoju przyszłych sieci kwantowych i może znacznie zwiększyć moc obliczeniową przyszłych systemów kwantowych. Splątanie foton-jon otwiera nowe możliwości w tworzeniu zaawansowanych sieci kwantowych, które mogą przetwarzać informacje z niespotykaną dotąd szybkością i bezpieczeństwem (InsideHPC).
3. Amazon Braket – rozwój usługi kwantowej: Amazon Braket to usługa firmy Amazon, która umożliwia naukowcom i programistom dostęp do komputerów kwantowych poprzez chmurę. Usługa ta wspiera rozwój oprogramowania kwantowego, oferując dostęp do różnorodnych platform kwantowych, co sprzyja badaniom i eksperymentom w tej dziedzinie. Dzięki Amazon Braket, użytkownicy mogą eksplorować i rozwijać algorytmy kwantowe, co przyspiesza postęp w badaniach oraz aplikacjach kwantowych (The Quantum Insider).
4. Pierwszy komputer kwantowy odporny na błędy od QuEra: Naukowcy z Harvardu zaprojektowali pierwszy komputer kwantowy odporny na błędy, który wykorzystuje logiczne kubity do zredukowania szumu kwantowego. Dzięki zastosowaniu technik korekcji błędów, komputer ten może wykonywać obliczenia z dużo większą precyzją niż dotychczasowe modele. To osiągnięcie znacząco zwiększa potencjał komputerów kwantowych do rozwiązywania skomplikowanych problemów w różnych dziedzinach, od farmacji po finanse (livescience.com).
5. Nowy rekord w atomowych kubitach – ponad 1000 kubitów atomowych: Naukowcy z Technische Universität Darmstadt stworzyli układ pęsety kwantowej, który posiada ponad 1000 kubitów atomowych. To osiągnięcie pozwala na realizację bardziej skomplikowanych algorytmów kwantowych i zwiększa możliwości skalowania komputerów kwantowych. Dzięki temu udało się zbliżyć do praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych w realnych zastosowaniach, co otwiera nowe horyzonty dla przyszłości technologii kwantowej (Physorg).

Podsumowanie

Różnice między komputerami kwantowymi a klasycznymi są fundamentalne. Klasyczne komputery przetwarzają informacje binarnie, podczas gdy komputery kwantowe wykorzystują kubity, superpozycję i splątanie, co umożliwia im rozwiązywanie problemów w sposób nieosiągalny dla tradycyjnych maszyn.

Wnioski:

• Komputery kwantowe nadal są na wczesnym etapie rozwoju, ale już teraz pokazują potencjał, by zrewolucjonizować obliczenia w nauce, biznesie i technologii.
• Kryptografia, farmakologia, optymalizacja i uczenie maszynowe to tylko niektóre dziedziny, które mogą skorzystać z mocy obliczeniowej komputerów kwantowych.
• Przed technologią stoi jednak wiele wyzwań, takich jak korekcja błędów czy zwiększenie stabilności kubitów.

Czy komputery kwantowe zastąpią klasyczne komputery?

Nie od razu. Komputery klasyczne nadal będą niezastąpione w codziennych zadaniach, ale komputery kwantowe staną się potężnym narzędziem w rozwiązywaniu problemów, z którymi tradycyjne maszyny sobie nie radzą.

Czy jesteśmy świadkami narodzin nowej ery obliczeniowej? Z pewnością czas pokaże. Ale jedno jest pewne – komputery kwantowe są jedną z najbardziej ekscytujących technologii, które możemy obserwować już dziś.

‍

Sprawdzenie Wiarygodności Danych

Źródła naukowe:

1. IBM Quantum: IBM Quantum Eagle – 127-qubit processor Gambetta, Jay M., et al. "IBM’s roadmap for scaling quantum technology." IEEE Transactions on Quantum Engineering 1 (2020): 1-10.‍
2. Google Sycamore: Arute, Frank, et al. "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor." Nature 574.7779 (2019): 505-510.‍
3. Honeywell System Model H1: Honeywell Quantum Solutions Wright, Kenneth, et al. "Benchmarking an 11-qubit quantum computer." Nature Communications 10.1 (2019): 1-6.‍
4. Rigetti Aspen: Rigetti Aspen Series

Inne Źródła:

1. Kwantowa Komunikacja: Yin, Juan, et al. "Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers." Science 356.6343 (2017): 1140-1144. First Quantum Communication Satellite‍
2. Kwantowe Gry Komputerowe: Quantum Chess, Hello Quantum