Uczyniono spory krok w stronę komputerów kwantowych
Wszystko dzięki zespołowi badawczemu z Uniwersytetu w Bristolu, który zbudował pierwszy na świecie reprogramowalny, wielozadaniowy czip kwantowy. Może on generować, manipulować a także mierzyć zjawisko splątania. Fenomen, który Einstein nazwał „upiornym oddziaływaniem na odległość” jest podstawowym źródłem działania teoretycznych komputerów kwantowych. Po raz pierwszy wykorzystano je jednak w rzeczywistym, działającym urządzeniu. Ten sam czip może również modyfikować i mierzyć oscylację – zwykle niechciany efekt działania środowiska, który teraz może być kontrolowany i używany do opisywania układów kwantowych.
Urządzenie składa się z kilku krzemowych mikrokanałów, i ośmiu elektrod mogących powtarzalnie plątać fotony (cząstki światła) przesyłane kanałami. Zależnie od konfiguracji elektrod można uzyskać każdy splątany stan pary cząstek oraz każdy stan mieszany pojedynczej cząstki. W końcowym efekcie uzyskujemy 2 kubity (kwantowe odpowiedniki bitów), mogące być wykorzystane w rzeczywistych obliczeniach kwantowych.
Co lepsze, czip jest mały. Ma 70mm szerokości i 3mm grubości, a wykonuje operacje kwantowe do których zasymulowania potrzeba było dotąd aparatury wielkości przeciętnego stołu jadalnego. Można sobie więc wyobrazić zamontowanie go, może niekoniecznie w smartfonie ale np. w komputerze stacjonarnym.
Część z was może pamiętać informacje sprzed ponad 2 lat o skonstruowaniu pierwszego procesora kwantowego. W czym obecny czip jest lepszy od tamtego odkrycia? Tłumaczy to Peter Shadbolt, wiodący autor badań publikowanych w dzienniku „Nature Photonics” – „Nie jest ideałem gdy nasz komputer kwantowy może wykonywać tylko jedno, ściśle określone zadanie. Wolelibyśmy posiadać rekonfigurowalne urządzenie, mogące wykonywać szeroką gamę zadań – podobnie jak dzisiejsze komputery osobiste.”
Procesor kwantowy „Rainer”, zaprezentowany w 2009 roku przez firmę „D-Wave Systems” wykorzystywał wyżarzanie kwantowe (quantum annealing) właśnie do wykonywania pojedynczych, ściśle określonych zadań. Oparty o niego pierwszy komputer kwantowy, sprzedany w 2011 roku za 10 milionów dolarów firmie Lockheed-Martin, może wykonywać jedynie zadanie optymalizacji dyskretnej. W przeciwieństwie do niego obecny czip może wykonywać dowolne operacje na kubitach.
W tym momencie wielu z was może się zastanawiać: no dobrze jesteśmy coraz bliżej kwantowego komputera, ale co to właściwie jest i co nam to da? Różnica między konwencjonalnym komputerem a maszyną kwantową jest bardzo zasadnicza. Zwykły procesor składa się z tranzystorów i reprezentuje wszelkie działania jako operacje na bitach. Jak wiadomo bity mogą przyjąć wartość 0 lub 1 a operacje na nich są opisane za pomocą algebry Boole’a. Inaczej procesory kwantowe, działają one na sekwencjach tak zwanych kubitów. Jeden kubit może przyjąć wartość 0, 1 lub… być w obu tych stanach jednocześnie. Co ciekawsze para qubitów może być jednocześnie we wszystkich 4 możliwych stanach naraz a n qubitów w 2n stanów. W konwencjonalnych procesorach n bitów może być jedynie w jednym z 2n stanów w tym samym momencie. Kubity natomiast dopiero podczas zbadania pokazują jeden, dany stan. Jednak błędem jest myślenie jakoby były one w nim cały czas. Dalsze zagłębianie się w tajniki mechaniki kwantowej na potrzeby tego artykułu nie ma sensu (oraz również przerosłoby prawdopodobnie autora). Jedyne co musimy wiedzieć to, że dzięki takiemu zachowaniu kubitów, maszyna licząca oparta o procesor kwantowy jest niedeterministyczna co otwiera furtkę do szybkiego rozwiązywania tak zwanych „problemów NP-trudnych” i jest olbrzymim przełomem w informatyce.
No dobrze, teoria teorią a co to nam da w praktyce? Najpierw musimy sobie odpowiedzieć na pytanie co to są te problemy „NP-trudne” i czemu to takie ważne. Nie będziemy przytaczać ciężkiej teorii informatycznej i powiemy, że w bardzo dużym uproszczeniu są to takie problemy, których za pomocą deterministycznej maszyny prawdopodobnie nie da się rozwiązać w czasie wielomianowym (a przynajmniej nikt jeszcze tego nie udowodnił). Pierwszy z brzegu przykład konkretnej technologii wykorzystującej tę zależność to prawie wszystkie algorytmy kryptograficzne. Znaczy to tyle, że wykorzystując niedeterministyczną maszynę z procesorem kwantowym moglibyśmy deszyfrować RSA czy AES prostymi algorytmami działającymi w czasie wielomianowym a może nawet lepszym (czyli działającymi w relatywnie znośnym czasie nawet na komputerach domowych). Co to oznacza chyba nie muszę tłumaczyć – absolutny koniec obecnie nam znanej kryptografii. A konsekwencje rozwiązywania innych problemów matematycznych i wynikłych z nich odkryć są wyobrażalne w zasadzie jedynie dla pisarzy science-fiction. Prawda jest taka, że nie wiemy jeszcze jak w pełni funkcjonalny komputer kwantowy wpłynie na całą naukę, ale na pewno będzie to wynalazek przełomowy.
Aby to nastąpiło należy jednak przełamać jeszcze kilka problemów. Jak mówi profesor Jeremy O’Brien, dyrektor Centrum Fotoniki Kwantowej Uniwersytetu w Bristol „W celu zbudowania komputera kwantowego musimy być w stanie nie tylko kontrolować skomplikowane zjawiska takie jak splątanie i oscylacja ale również zrealizować je w czipie aby móc w sposób praktyczny i skalowalny zduplikować wiele takich małych obwodów. Całkiem tak samo jak w obecnych komputerach stacjonarnych.”
Pierwsza część wydaje się zrealizowana, więc teraz grupa naukowców, którzy od 6 lat próbowali skonstruować ten czip, będzie pracować nad skalowaniem złożoności tego urządzenia tak aby w przyszłości był on pojedynczym blokiem, z którego będzie można złożyć funkcjonalny komputer kwantowy.
Źródło: bristol, extremetech, wł
