Obliczenia kwantowe nie rozwiążą wszystkich naszych problemów, mówi fizyk Shohini Ghose. Ale pionierskie ramy obliczeniowe mogą udoskonalić wiele branż.
Potencjał obliczeń kwantowych został okrzyknięty rewolucyjnym, zdolnym zmienić sposób, w jaki wszystko działa w naszym świecie, znajdując rozwiązania wykładniczo szybciej niż najpotężniejsze dzisiejsze superkomputery.
Jednak gdy kadra kierownicza oblicza potencjalne przychody, które kwant może wygenerować, a dziennikarze starają się znaleźć proste sposoby wyjaśnienia złożonych procesów, które za tym stoją, fizycy kwantowi są coraz bardziej sfrustrowani brakiem zrozumienia ich dziedziny.
„Obliczenia kwantowe w rzeczywistości bardzo różnią się od naszych zwykłych komputerów” – powiedział TylkoGliwice Next fizyk kwantowy Shohini Ghose, profesor na Wilfrid Laurier University w Kanadzie.
„Nie chodzi tylko o to, że jest to potężniejsza wersja tego, co mamy dzisiaj. W rzeczywistości jest to zupełnie inna platforma do samych obliczeń”.
Te ramy są trudne do wyjaśnienia za pomocą prostych analogii i znanych wzorców.
Komputer kwantowy nie jest X razy potężniejszy niż zwykły komputer. To nie jest Real Madryt dla drużyny piłkarskiej Twojego dziecka. Komputer kwantowy gra w zupełnie inną grę.
„To nie jest tak, że komputer kwantowy jest lepszy w każdym zadaniu i w jakiś sposób przyspieszy wszystko, co robimy” – powiedział Ghose.
„Istnieją bardzo specyficzne zadania, które komputer kwantowy może faktycznie wykonać w lepszy sposób”.
Zrozumienie nowych ram obliczeniowych
Zwykłe komputery – od tych, których używamy w pracy, po bijący rekordy superkomputer Frontier – działają na zasadzie konwersji informacji na cyfry binarne (jedynki i zera), zwane bitami. Przetwarzają długie ciągi tych bitów zwanych kodem i używają prostej matematyki, aby powiedzieć temu kodowi, co ma robić.
Ramy obliczeń kwantowych opierają się na innej podstawowej jednostce informacji, zwanej bitem kwantowym, która działa na zasadzie superpozycji.
„Wyobraź sobie sytuację, w której nasz bit nie jest do końca zerem ani jedynką, ale istnieje pewne prawdopodobieństwo, że będzie zerem i pewnym prawdopodobieństwem, że będzie jedynką” – powiedział Ghose.
„To właśnie nazywamy superpozycją i tak opisuje się bit kwantowy lub kubit”.
Może to brzmieć mniej precyzyjnie, ale Ghose twierdzi, że znacznie rozszerza rodzaje obliczeń, które komputer kwantowy może rozwiązać, aw wielu przypadkach zwiększa szybkość, z jaką może osiągnąć rozwiązanie.
„To prawie jak przejście od dwóch punktów – 0 i 1 – w krajobrazie do możliwości płynięcia w dowolnym miejscu w krajobrazie, ponieważ możliwa jest dowolna kombinacja zera i jedynki” – powiedziała.
Potencjał zmiany gry
Co więc komputery kwantowe mogą zrobić lepiej niż zwykłe komputery?
„Jeśli tylko piszesz e-maile, nie zobaczysz ogromnego przyspieszenia, które sprawi, że Twoje e-maile będą szybsze lub lepsze” – powiedział Ghose.
„Ale może się zdarzyć, że na zapleczu system szyfrowania kwantowego może poprawić bezpieczeństwo i prywatność komunikacji”.
Kryptografia kwantowa to główny obszar badań, który wykorzystuje mechanikę kwantową w celu poprawy bezpieczeństwa komunikacji online. Ghose mówi, że szyfrowanie kwantowe zaplecza może ostatecznie znaleźć się na wszystkich naszych urządzeniach.
„Jeśli zostanie to zrobione w sposób, który jest naprawdę wolny od błędów i doskonale zaprojektowany, jest całkowicie nie do zhakowania” – powiedziała. „Chcąc złamać to szyfrowanie, musiałbyś złamać prawa fizyki”.
Inne zastosowania zależą od możliwości budowania komputerów kwantowych na dużą skalę. Mogą one obejmować opracowywanie lepszych farmaceutyków po budowę lepszych ogniw słonecznych, a nawet odzieży.
Ale aby naprawdę rozszerzyć zastosowania obliczeń kwantowych, Ghose mówi, że eksperci z różnych dziedzin muszą zaangażować się w badania.
„Nie trzeba być fizykiem, aby być częścią tej nowej rewolucji komputerów kwantowych” – powiedziała.
„W rzeczywistości im bardziej zróżnicowane grupy ludzi mogą być zaangażowane, tym bogatsza będzie dziedzina i tym bardziej zaskakujące będą wyniki”.
Przed Quantum długa droga
Wciąż istnieje wiele pytań, na które należy odpowiedzieć, zanim komputery kwantowe wejdą do głównego nurtu. Przede wszystkim chodzi o to, czy w ogóle można zbudować komputery kwantowe na dużą skalę.
„Nie jest do końca jasne, czy naprawdę możemy je zwiększyć, ponieważ nikt nie był w stanie zdecydowanie wykazać, że budując coraz większe komputery kwantowe, będziemy w stanie zrobić to w sposób zrównoważony i skalowalny, – powiedział Ghose.
Kubity muszą być utrzymywane w temperaturach bliskich zera absolutnego, aby mogły funkcjonować, co sprawia, że zarządzanie ciepłem jest główną przeszkodą, z którą muszą sobie poradzić programiści.
Problemem są również koszty – większość szacunków szacuje koszt pojedynczego kubitu na około 10 000 euro, co sprawia, że użyteczny komputer kwantowy jest zbyt drogi dla wszystkich branż z wyjątkiem kilku.
Ale Ghose mówi, że największym wyzwaniem i niewiadomą komputerów kwantowych jest radzenie sobie z błędami kwantowymi.
„Częścią tego, co sprawia, że komputer kwantowy jest potężny, jest to szczególne zjawisko zwane splątaniem, w którym wszystkie różne bity kwantowe rozmawiają ze sobą i łączą się w taki sposób, że zaczynają zachowywać się jak jeden” – powiedziała.
„Ale jeśli te kubity, zamiast rozmawiać ze sobą, rozmawiają z czymś poza ich przestrzenią obliczeniową, na przykład z przypadkową cząstką, mogą również zaplątać się w te cząstki”.
Aby kontrolować kubity i zapobiegać ich interakcji z przypadkowymi cząsteczkami, Ghose mówi, że muszą one być „zimniejsze niż przestrzeń kosmiczna”.
Obecnie jedynym sposobem na to jest zbudowanie ogromnych komputerów „wielkości całego pokoju”, które mogą pomieścić cały sprzęt, elektronikę i systemy chłodzenia.
„Będziemy musieli wykonać wiele korekcji błędów, ponieważ są one bardzo, bardzo delikatne i nawet najmniejszy błąd lub hałas całkowicie niszczy obliczenia” – powiedział Ghose.
„O tym musimy myśleć, idąc naprzód, czy naprawdę warto? A jeśli tak, to jak to zrobić w sposób odpowiedzialny i zrównoważony? Nie znam odpowiedzi”.
Aby uzyskać więcej informacji na temat tej historii, obejrzyj wideo w odtwarzaczu multimedialnym powyżej.
