Czym jest komputer kwantowy i jak komputery kwantowe zmienią świat?

TylkoGliwice Next odwiedził laboratorium badawcze IBM w Zurychu, aby dowiedzieć się więcej o tej dziedzinie, która może przynieść nowe rozwiązania światowych problemów.

W zależności od tego, kogo zapytasz, niektórzy twierdzą, że komputery kwantowe mogą albo zepsuć Internet, sprawiając, że prawie każdy protokół bezpieczeństwa danych stanie się przestarzały, albo pozwolą nam obliczyć wyjście z kryzysu klimatycznego.

O tych superpotężnych urządzeniach, nowej technologii wykorzystującej właściwości mechaniki kwantowej, głośno się mówi.

W listopadzie ubiegłego roku IBM zaprezentował swój najnowszy komputer kwantowy, Osprey, nowy 433-kubitowy procesor, który jest trzykrotnie mocniejszy niż jego poprzednik zbudowany dopiero w 2021 roku.

Ale o co tyle szumu?

Kwanty to dziedzina nauki zajmująca się badaniem fizycznych właściwości przyrody w skali atomów i cząstek subatomowych.

Zwolennicy technologii kwantowej twierdzą, że maszyny te mogą zapoczątkować szybki postęp w takich dziedzinach, jak odkrywanie leków i materiałoznawstwo – perspektywa ta wiąże się z kuszącą możliwością stworzenia na przykład lżejszych, bardziej wydajnych akumulatorów do pojazdów elektrycznych lub materiałów, które mogłyby ułatwić skuteczne wychwytywanie CO2 .

Wraz ze zbliżającym się kryzysem klimatycznym, technologia z nadzieją na rozwiązanie złożonych problemów, takich jak te, z pewnością wzbudzi żywe zainteresowanie.

Nic więc dziwnego, że niektóre z największych firm technologicznych na świecie – Google, Microsoft, Amazon i oczywiście IBM, by wymienić tylko kilka – dużo w to inwestują i starają się postawić na swoim miejscu w kwantowej przyszłości.

Jak działają komputery kwantowe?

Biorąc pod uwagę, że te utopijnie brzmiące maszyny budzą tak szalone zainteresowanie, być może warto byłoby zrozumieć, jak działają i co odróżnia je od klasycznych komputerów.

Weź każde urządzenie, które mamy dzisiaj – od smartfonów w naszych kieszeniach po nasze najpotężniejsze superkomputery. Działają one i zawsze działały na tej samej zasadzie kodu binarnego.

Zasadniczo chipy w naszych komputerach wykorzystują małe tranzystory, które działają jak przełączniki włączania/wyłączania, dające dwie możliwe wartości, 0 lub 1, inaczej zwane bitami, skrót od cyfr binarnych.

Bity te można skonfigurować w większe, bardziej złożone jednostki, zasadniczo długie ciągi zer i jedynek zakodowane za pomocą poleceń danych, które mówią komputerowi, co ma robić: wyświetlić wideo; pokaż post na Facebooku; odtwarzać mp3; pozwalają wpisać e-mail i tak dalej.

Ale komputer kwantowy?

Te maszyny działają w zupełnie inny sposób. Zamiast bitów w klasycznym komputerze podstawową jednostką informacji w obliczeniach kwantowych jest tak zwany bit kwantowy lub kubit. Są to zazwyczaj cząstki subatomowe, takie jak fotony lub elektrony.

Kluczem do zaawansowanej mocy obliczeniowej maszyny kwantowej jest jej zdolność do manipulowania tymi kubitami.

„Kubit to dwupoziomowy system kwantowy, który umożliwia przechowywanie informacji kwantowych” – wyjaśnił Ivano Tavernelli, światowy lider zaawansowanych algorytmów do symulacji kwantowych w IBM Research Lab w Zurychu, w rozmowie z TylkoGliwice Next.

„Zamiast mieć tylko dwa poziomy zero i jeden, które mielibyście w klasycznych obliczeniach tutaj, możemy zbudować superpozycję tych dwóch stanów” – dodał.

Nałożenie

Superpozycja w kubitach oznacza, że ​​w przeciwieństwie do systemu binarnego z dwiema możliwymi wartościami, 0 lub 1, kubit w superpozycji może mieć jednocześnie 0, 1 lub 0 i 1.

A jeśli nie możesz tego ogarnąć, często podaje się analogię do pensa.

Kiedy jest nieruchomy, grosz ma dwie twarze, orła lub reszki. Ale jeśli to odwrócisz? Albo zakręcić? W pewnym sensie jest to jednocześnie orzeł i reszka, dopóki nie wyląduje i nie można tego zmierzyć.

A jeśli chodzi o obliczenia, ta zdolność do przebywania w wielu stanach jednocześnie oznacza, że ​​masz wykładniczo większą liczbę stanów, w których można kodować dane, co sprawia, że ​​komputery kwantowe są wykładniczo potężniejsze niż tradycyjne komputery z kodem binarnym.

Splątanie kwantowe

Inną właściwością kluczową dla działania komputerów kwantowych jest splątanie. Jest to nieco tajemnicza cecha mechaniki kwantowej, która wprawiała w zakłopotanie nawet Einsteina w swoim czasie, który stwierdził, że jest to „upiorne działanie na odległość”.

Kiedy dwa kubity są generowane w stanie splątanym, istnieje bezpośrednia mierzalna korelacja między tym, co dzieje się z jednym kubitem w splątanej parze, a tym, co dzieje się z drugim, bez względu na to, jak daleko są od siebie. Zjawisko to nie ma odpowiednika w świecie klasycznym.

„Ta właściwość splątania jest bardzo ważna, ponieważ zapewnia znacznie silniejszą łączność między różnymi jednostkami i kubitami. Tak więc moc opracowania tego systemu jest silniejsza i lepsza niż w przypadku klasycznego komputera” – powiedział Alessandro Curioni, dyrektor IBM Research. Lab w Zurychu, wyjaśnił TylkoGliwice Next.

W rzeczywistości w tym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano trzem naukowcom, Alainowi Aspectowi, Johnowi Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi, za ich eksperymenty dotyczące splątania i postęp w dziedzinie informacji kwantowej.

Po co nam komputery kwantowe?

Tak więc, w uproszczonym skrócie, są to elementy składowe działania komputerów kwantowych.

Ale znowu, dlaczego koniecznie potrzebujemy tak potężnych maszyn, skoro mamy już superkomputery?

„(Ten) komputer kwantowy znacznie ułatwi symulację świata fizycznego” – powiedział.

„Komputer kwantowy będzie w stanie lepiej symulować świat kwantowy, a więc symulację atomów i cząsteczek”.

Jak wyjaśnia Curioni, pozwoli to komputerom kwantowym pomóc w projektowaniu i odkrywaniu nowych materiałów o dostosowanych właściwościach.

„Jeśli uda mi się zaprojektować lepszy materiał do magazynowania energii, mogę rozwiązać problem mobilności. Jeśli jestem w stanie zaprojektować lepszy materiał jako nawóz, jestem w stanie rozwiązać problem głodu i produkcji żywności. jestem w stanie zaprojektować nowy materiał, który pozwala (nam) wychwytywać CO2, jestem w stanie rozwiązać problem zmian klimatycznych” – powiedział.

Niepożądane skutki uboczne?

Ale mogą również wystąpić pewne niepożądane skutki uboczne, które należy wziąć pod uwagę, gdy wkraczamy w erę kwantową.

Głównym problemem jest to, że komputery kwantowe przyszłości mogą posiadać tak potężne zdolności obliczeniowe, że będą w stanie złamać protokoły szyfrowania, które są fundamentalne dla bezpieczeństwa Internetu, jakim dysponujemy dzisiaj.

„Kiedy ludzie komunikują się przez Internet, każdy może podsłuchiwać rozmowę. Dlatego najpierw muszą zostać zaszyfrowane. A sposób, w jaki szyfrowanie działa między dwojgiem ludzi, którzy się nie spotkali, polega na tym, że muszą polegać na algorytmach znanych jako RSA lub Elliptic Curve , Diffie-Hellman, w celu wymiany tajnego klucza” – wyjaśnił Vadim Lyubashevsky, kryptograf z IBM Research Lab w Zurychu.

„Wymiana tajnego klucza jest trudną częścią, a wymagają one pewnych założeń matematycznych, które zostają złamane przez komputery kwantowe”.

Aby się przed tym zabezpieczyć, Lyubashevsky mówi, że organizacje i podmioty państwowe powinny już aktualizować swoją kryptografię do bezpiecznych algorytmów kwantowych, tj. które nie mogą zostać złamane przez komputery kwantowe.

Wiele z tych algorytmów zostało już zbudowanych, a inne są w fazie rozwoju.

„Nawet jeśli nie mamy komputera kwantowego, możemy pisać algorytmy i wiemy, co zrobi, gdy już istnieje, jak będzie uruchamiał te algorytmy” – powiedział.

„Mamy konkretne oczekiwania co do tego, co zrobi konkretny komputer kwantowy i jak złamie pewne schematy szyfrowania lub inne schematy kryptograficzne. Zdecydowanie możemy więc przygotować się na takie rzeczy” – dodał Lyubashevsky.

„I to ma sens. Przygotowywanie się na takie rzeczy ma sens, ponieważ dokładnie wiemy, co zamierzają zrobić”.

Ale jest jeszcze kwestia danych, które już istnieją, a które nie zostały zaszyfrowane za pomocą algorytmów bezpiecznych dla kwantów.

„Istnieje bardzo duże niebezpieczeństwo, że organizacje rządowe już teraz przechowują duży ruch internetowy w nadziei, że kiedy zbudują komputer kwantowy, będą w stanie go rozszyfrować” – powiedział.

„Tak więc, nawet jeśli teraz wszystko jest bezpieczne, być może teraz transmitowane jest coś, co będzie nadal interesujące za dziesięć, 15 lat. I wtedy rząd, ktokolwiek zbuduje komputer kwantowy, będzie w stanie go odszyfrować i być może wykorzystać te informacje, które nie powinien używać”.

Pomimo tego, biorąc pod uwagę potencjalne korzyści z obliczeń kwantowych, Lyubashevsky twierdzi, że ryzyko to nie powinno powstrzymać rozwoju tych maszyn.

„Łamanie kryptografii nie jest celem komputerów kwantowych, to tylko efekt uboczny” – powiedział.

„Miejmy nadzieję, że będzie miał o wiele więcej przydatnych narzędzi, takich jak zwiększenie szybkości, z jaką można odkrywać reakcje chemiczne i wykorzystywać je w medycynie i podobnych rzeczach. To jest sens komputera kwantowego” – dodał.

„I oczywiście ma to negatywny efekt uboczny, że złamie kryptografię. Ale to nie jest powód, aby nie budować komputera kwantowego, ponieważ możemy to załatać i załataliśmy to. Jest to więc łatwy problem do rozwiązania. „.

Aby uzyskać więcej informacji na temat tej historii, obejrzyj objaśniający film w odtwarzaczu multimedialnym powyżej.