Przechodząc z realnego świata, w którym wszyscy żyjemy, do świata fizyki kwantowej, możemy poczuć się jak Alicja z Krainy Czarów, bohaterka książki Lewisa Carrolla, kiedy przez norę królika dostała się do bajkowej krainy. Tam wszystko było inne i działało według innych reguł i norm. Podobnie jest w świecie fizyki kwantowej, która zajmuje się prawami rządzącymi cząstkami dużo mniejszymi niż atom.

Bity i kubity

Zostały one nazwane cząstkami elementarnymi. Mogą przebywać jednocześnie w różnych stanach i miejscach, a także przenikać przez bariery energetyczne wyższe niż ich własna energia, co jest wbrew prawom fizyki klasycznej. Na dodatek sama obserwacja ich stanu powoduje jego zmianę.

Rozwój fizyki kwantowej rozpoczął się w pierwszych latach XX wieku. Jej twórcami było kilku uczonych badających promieniowanie elektromagnetyczne m.in. Max Planck, a także nadciekłość czy nadprzewodnictwo. Obecnie zasady mechaniki kwantowej określają postrzeganie wszelkich zjawisk fizycznych i chemicznych. Stanowi ona podstawę badawczą takich działów nauki, jak: chemia kwantowa, fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych czy astrofizyka. Już od ponad 40 lat istnieje i rozwijana jest również informatyka kwantowa.

Podstawową jednostką informacji w naszych klasycznych komputerach jest bit, może on przyjmować wartości 0 i 1. W dawnych maszynach reprezentantem bitu był maleńki rdzeń magnetyczny. Mógł być on namagnesowany lub nie, co odpowiadało liczbom 0 i 1. Obecnie jest nim stan układu półprzewodnikowego, jednego z milionów wytworzonych na płytce monokryształu krzemu.

W informatyce kwantowej odpowiednikiem bitu jest kubit. Może on przyjmować każdą z wartości pośrednich między 0 i 1. Jego realną postacią jest obiekt kwantowy taki jak foton, najmniejsza cząstka światła, atom pozbawiony jednego z elektronów w temperaturach bliskich zera bezwzględnego (zimny jon) czy układ nadprzewodzący i wiele innych. Cała sztuka polega na tym, aby obiekty te wprowadzić w „stan splątania”, tzn. aby zaczęły one na siebie oddziaływać. Komputery kwantowe nie dokonują obliczeń tak jak te cyfrowe, a znajdują taki stan układu, który jest odpowiedzią na zadany problem. Nie odbywa się to jednak w sposób magiczny. Najpierw trzeba konkretny problem, który chcemy rozwiązać, wymodelować w postaci kubitów oraz połączeń między nimi, a następnie tak sterować układem, aby odnaleźć maksimum lub minimum danego stanu, znajdując szukaną odpowiedź.

Nadzieje i obawy

Po co jest nam potrzebny kwantowy komputer? Przecież te istniejące potrafią zrobić bardzo wiele. Nawet jeśli nic o nich nie wiemy, to i tak będą nam prowadzić rachunki bankowe, liczyć należne świadczenia ZUS i podatki, które mamy zapłacić. Mogą przekazywać nam wiedzę i dostarczać rozrywki, nie tylko tej najlepszej. Wszystko to prawda, lecz prawdą jest też to, że obecne komputery nie spełniają wszystkich naszych oczekiwań lub zajmuje im to zbyt wiele czasu.

Przy przewidywaniu przebiegu bardzo złożonych procesów ilość czynników, charakter zmian zachodzących równocześnie i stopień komplikacji obliczeń okazują się zbyt wielkie nawet dla współczesnych superkomputerów. Takie sytuacje mają miejsce już przy sporządzaniu długookresowych prognoz pogody dla większych obszarów, np. całych kontynentów. Podobne problemy napotykają naukowcy zajmujący się poszukiwaniem nowych leków, np. takich, które nie istnieją w przyrodzie, lecz można je stworzyć w drodze syntezy chemicznej. Dotyczy to także badań nad nowymi materiałami budowlanymi, półprzewodnikami i masami plastycznymi nowej generacji.

Dziedziną, której klasyczne maszyny cyfrowe nie wystarczają, są także symulacje takich zjawisk, jak kontrolowana reakcja termojądrowa czy zachowania globalnych rynków finansowych. Osobnym tematem jest kryptologia, nauka o szyfrach i bezpieczeństwie informacji. Pojawienie się informatyki kwantowej może ją całkowicie zrewolucjonizować. Jest także ciemna strona możliwych zastosowań – to współczesne pole walki podczas globalnej wojny. Wyobraźmy sobie system zbierający informacje o znaczeniu militarnym z satelitów obejmujących swą obserwacją cały glob. Jednym z procesorów jest QPU (Quantum Processing Unit – procesor kwantowy), który w ułamku sekundy dokonuje analiz i symulacji ataku lub kontrnatarcia i uruchamia odpowiednie systemy rakietowe. Równie apokaliptyczną wizją jest udział komputera kwantowego w manipulacjach na ludzkich genach i embrionach.

Supremacja kwantowa

Dlatego wiele państw i instytucji walczy o zdobycie „supremacji kwantowej” – wyraźnej przewagi w budowie komputera kwantowego. Są to amerykańscy giganci technologiczni tacy jak: Amazon, Google, Hewlett Packard, Hitachi, IBM, Intel i Microsoft, a także Instytut Technologii w Massachusetts czy Narodowe Laboratorium w Los Alamos. Zaawansowane prace są prowadzone również w Wielkiej Brytanii, Australii, Kanadzie, Chinach, Niemczech, Izraelu, Japonii, Rosji i Indiach.

Na całym świecie ponad 600 firm oraz ponad 30 laboratoriów, uniwersytetów i agencji rządowych rozwija technologię obliczeń kwantowych.

Nie trzeba wyjaśniać, że rezultaty tych badań są ściśle tajne, jednak należy zadać pytanie: jakie są rzeczywiste osiągnięcia? Według wielu ekspertów, komputer kwantowy jeszcze nie istnieje. Są jedynie jego prototypy, które bardziej przypominają stanowisko eksperymentów z dziedziny optyki lub fizyki niskich temperatur niż funkcjonalne urządzenie.

Wielkie problemy stwarzają także brak powtarzalności wyników, konieczność korekcji błędów i cała techniczna, inżynierska strona badań. Ciągle są też prowadzone prace nad znalezieniem lepszego, a nawet przełomowego układu kwantowego, który dostarczy bazy dla komputera jak z „krainy czarów”.

W Polsce prace badawcze ukierunkowane na budowę procesora kwantowego prowadzone są w kilku ośrodkach, m.in. na Uniwersytecie Warszawskim, w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN oraz w Politechnikach Warszawskiej i Gdańskiej. Brak jest jednak programu rządowego.

Nie brakuje za to entuzjastów tej nowej dziedziny wiedzy ze styku informatyki i fizyki kwantowej. Należą do nich uczestnicy „Warszawskiej Grupy Obliczeń Kwantowych”. Organizują oni warsztaty z programowania komputerów kwantowych, a jest to zupełnie inna umiejętność niż dotychczas znane języki. Informatyka kwantowa to nowa dziedzina wiedzy, a przez to niezwykle atrakcyjna dla świata nauki.

Co dalej?

Brak ostatecznego sukcesu nie przeszkadza w pojawianiu się medialnych informacji o nadzwyczajnych postępach dokonanych w różnych ośrodkach badawczych. W końcu 2021 r. z Państwa Środka wyszła wiadomość, że zbudowano tam najszybszy na świecie programowalny komputer kwantowy. Stwierdzono, że oparty na fotonach Jiuzhang 2 oblicza w ciągu jednej milisekundy zadanie, którego wykonanie zajęłoby konwencjonalnemu komputerowi 30 bln lat. Jakby tego było mało, opracowano tam także nadprzewodzący komputer kwantowy o pojemności 66 kubitów – Zuchongzhi 2 i jest on jeszcze szybszy. W grudniu 2023 r. IBM zaprezentował swój 1121-kubitowy procesor kwantowy Condor. Jest on zwieńczeniem wieloletniego planu działania IBM „Mapa drogowa do supremacji kwantowej”, mającego na celu przekroczenie progu 1 tys. kubitów. Można postawić pytanie: jak należy traktować te i podobne informacje? Kluczowe jest tu słowo „teoretycznie”. Nie zawsze, ale często podawane wielkości są wynikiem bardzo teoretycznych rozważań. Wyścig trwa!

Autor jest byłym pracownikiem IBM Polska