Co to są komputery kwantowe i jak szybko się rozwiną?

Co to są komputery kwantowe i jak szybko się rozwiną?

Ten post przygotowałem z myślą o osobach nie technicznych, które jednak tak jak ja interesują się rozwojem technologii. Myślę jednak, że będzie również ciekawy i przydatny dla młodych programistów, których interesuje rozwój IT w ogóle. Czy słyszeliście już o komputerach kwantowych? Wielu z Was zapewne tak.

Pierwsze skojarzenie jest pewnie takie, że to o wiele potężniejsze obliczeniowo, a zatem szybsze maszyny niż te, na których pracujemy.  Ale przecież już gdzieś to było…Od wielu lat słyszymy, raz na kilka lat, o kolejnych superkomputerch, które pracują dla big tech (Google, Facebook, Amazon) czy dla agend rządowych wielkich mocarstw. Tymczasem półtora roku temu, w październiku 2019, Google ogłosił osiągnięcie tzw. kwantowej supremacji.

O co zatem w tym wszystkim chodzi?

Zanim przejdę dalej, chciałbym na początku podkreślić, że tematyka komputerów kwantowych opiera się na koncepcjach, które w fizyce noszą miano mechaniki kwantowej. Wybitny fizyk, laureat nagrody Nobla, Richard Feynman stwierdził: „Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej.” Wytłumaczenie samemu sobie, a co dopiero innym czym są komputery kwantowe jest zadaniem bardzo trudnym. Niemniej,  postanowiłem spróbować opowiedzieć o tym fenomenie, w bardzo oversimplified way, tak jak ja w jakiś sposób temat ten rozumiem. Z góry przepraszam wszystkich fizyków i osoby obeznane w quantum computing, jeżeli uproszczenia są zbyt duże waszym zdaniem. Komentujcie, ale proszę nie śmiejcie się ze mnie - popularyzując trudny temat chciałem dobrze ;)

W tekście linkuję również materiały wideo, z których sam zrozumiałem, na ile jestem w stanie :), czym jest quantum computing.

Tradycyjna informatyka opiera się na opisie informacji za pomocą stanów „tak” i  „nie”. „0” lub „1”. Jest to tak zwany kod binarny, umożliwiający zapisywanie wielkich operacji liczbowych za pomocą ciągów zer i jedynek. W praktyce działa to w ten sposób, że kiedy opisujemy coś jako 1 ,prąd w systemie płynie, jeżeli zero, nie płynie. Zawsze jednak jest „tak” lub „nie”. Poniżej bardzo fajny film jak przedstawiać za pomocą kodu binarnego zdjęcia, wideo i dżwięk:

To „0” lub „1” to podstawowa jednostka informacji zwana bit.

W quantum computing najmniejszą jednostką informacji nie jest bit lecz „qubit” (od „quantum bit”). Opiera się na koncepcji z fizyki kwantu, który jest najmniejszą jednostką fizyczną „czegoś”. Qubit jest najmniejszą ilością informacji. Podobnie jak nie jesteśmy w stanie w danym momencie ustalić w fizyce pozycji elektronu, tak też nie jesteśmy w stanie ustalić jaki „ładunek informacji” posiada aktualnie qubit. To, czy qubit zbliża się  aktualnie do  pozycji „jeden” lub „zero” możemy określić wyłącznie w kontekście określonego prawdopodobieństwa. Qubit może znajdować się w stanie O i 1 jednocześnie, w różnych proporcjach. Trochę jak małe dziecko zapytane, czy chce pójść na spacer, stwierdza, „tak, ale jeżeli pójdziemy do cukierni na lody truskawkowe”. Nazywamy to superpozycja.

Pamiętacie, bo pewnie słyszeliście, o tak zwanym kocie Schroedingera, który jest jednocześnie żywy i martwy?

Według Wikipedii, genialny austriacki fizyk Erwin Schroedinger "zaproponował scenariusz z kotem w zamkniętej stalowej komorze, w której życie lub śmierć kota zależały od stanu radioaktywnego atomu, czy rozpadł się i emitował promieniowanie, czy nie. Według Schrödingera interpretacja kopenhaska zakłada, że kot pozostaje zarówno żywy, jak i martwy, dopóki jego stan podlega obserwacji. Schrödinger nie chciał promować idei martwych i żywych kotów na poważnie; wręcz przeciwnie, zamierzał zilustrować absurdalność istniejącego pojmowania  mechaniki kwantowej"

Tak więc nasz qubit jest czymś w rodzaju kota Schroedingera.

Dobrze, ale jak to wszystko działa w praktyce?

Na początek trochę matematyki. 4 klasyczne bity mogą występować w 16 pozycjach (4 razy 4), z których wykorzystana jest w danym czasie tylko jedna. 4 qubity to od razu tak naprawdę 16 pozycji na starcie. Wszystkie 16 jest wykorzystane jednocześnie. Z każdym kolejnym qubitem, liczba obliczeń rośnie wykładniczo. Bardzo fajnie pokazane jest to tutaj:

Rozumiecie już jak komputer kwantowy  może przetwarzać gigantyczne ilości danych? OK, ale nadal na końcu wychodzi nam jakaś loteria, a my przecież chcemy otrzymać konkretną pozycję.

W tym celu skonstruowane zostały algorytmy tzw. quantum decoherence. Mówią one niejako „sprawdzam” do qubitów i określają ich aktualne pozycje. Parafrazując - na końcu kot Schroedingera jest albo żywy, albo martwy. Tutaj doskonale opisuje to Scott Aaronson w rozmowie z Lexem Fridmanem:

W latach dziewięćdziesiątych, kiedy powstała idea komputerów kwantowych, większość naukowców z obszaru mechaniki kwantowej i informatyki twierdziła, że nie da się uczyć qubitów, ani ich kontrolować. Na przełomie wieków nastąpił jednak ogromny przełom intelektualny zwany quantum error correction theory. Error correcting code jest o wiele mocniejszy niż 20 lat temu, jednak wg naukowców jesteśmy jeszcze bardzo daleko przed skonstruowaniem prawdziwych komputerów kwantowych. Jak stwierdził Scott Aaronson w cytowanym wywiadzie: jesteśmy na razie na etapie lamp próżniowych.

A jednak w październiku 2019 Google oznajmił tzw. osiągnięcie kwantowej supremacji.

Kwantowa supremacja to stan, w którym komputer kwantowy osiąga moc obliczeniową radykalnie większą niż komputer klasyczny.

Google udało się zbudować komputer kwantowy z 53 qubitami. Ogłosili, że w 200 sekund ich komputer rozwiązał problem, który normalnemu komputerowi zająłby 10 tysięcy lat. Jeden z konkurentów Google, IBM (który również skonstruował swój komputer kwantowy) szybko z zakwestionował sukces Google. Wg IBM ich konkurent popełnił błąd w obliczeniach i zadanie klasycznemu komputerowi zajęłoby 2,5 dnia. Mimo wszystko 200 sekund to nie 60 godzin. Ale czy to już kwantowa supremacja ? Według większości naukowców - nie. Niemniej - każdy wielki wynalazek ludzkości miał swój pierwszy krok.

W jakich obszarch komputery kwantowe mogą spowodować największy przełom?

Wielu komentatorów mówi o kryptografii. Kwantowe oprogramowanie pozwala zapewnić o wiele bardziej skomplikowane klucze szyfrujące. Z drugiej strony mechanizmy deszyfrujące będą również o wiele potężniejsze. Jeżeli obejrzycie rozmowę Lexa i Scotta- wychodzi na zero.

Wielu komentatorów liczy na znaczące przyspieszenie rozwoju algorytmów AI dzięki komputerom kwantowym. To na pewno prędzej, czy później będzie miało miejsce. W tym miejscu, dla zaawansowanych, polecam kanał fundacji z mojego miasta, zajmującej się wpływem quantum computing na rozwój AI.

Jak celnie stwierdził Scott Aaronson największym  osiągnięciem quantum computing jest szybsze i bardziej precyzyjne odtworzenie rzeczywistości wokół nas: procesów chemicznych, badań medycznych, badania przyrody. Bo otaczająca nas rzeczywistość jest przecież kwantowa.

...

Mamy nadzieję, że nasze treści są dla Ciebie interesujące. Jeśli tak, nie zapomnij zapisać się do naszego newlettera i obserwuj  Phoenix Project  w mediach społecznościowych.  Subskrybuj nasz darmowy newsletter

Czy chciałbyś / chciałabyś powierzyć nam rekrutację do Twojego zespołu? 

Porozmawiajmy o tym!  Umów się na rozmowę poprzez kalendarz


Wróć do listy

WORLDWIDE RECRUITMENT
SP. Z O.O.

+48 696 448 221

ul. Mikołaja Kopernika 5/lu8, 00-367 Warszawa

Chcesz porozmawiać na temat naszego wsparcia?

Zostaw nam wiadomość

Zazwyczaj odpowiadamy w ciągu kilku godzin. Możesz również umówić się z nami na konkretny termin rozmowy klikając na poniższy link do naszego kalendarza.

Umów się w kalendarzu