W niczym nie przypominają komputerów, które stoją na naszych biurkach, to raczej plątanina kabli i rurek zajmująca sporo miejsca. Są wymagające: do ich utrzymania wymagana jest temperatura bliska zera absolutnego (czyli -273,15 st. Celsjusza). Najlepszy obecnie taki komputer IBM składa się z 50-kwantowych bitów i zachowuje stabilność przez 90 mikrosekund. To rekordowy czas, ale do pełnej sprawności wciąż daleko.

Joanna Sosnowska: I przy tym komputery kwantowe mają się upowszechnić w ciągu 5 lat?

dr Robert S. Sutor: Jesteśmy w stanie “quantum ready”. I, owszem, komputery kwantowe zaczną się upowszechniać nawet szybciej, a to oznacza zmiany. Sposób programowania komputera kwantowego jest zupełnie odmienny, dlatego nasza firma skupia się teraz na edukacji studentów. Gdy będą kończyć uczelnię, ta technologia będzie już w użyciu.

Wyjaśnijmy najpierw, czym jest komputer kwantowy.

Bit może występować w dwóch postaciach: 0 albo 1. Kwantowy bit - kubit - zachowuje się inaczej niż wszystkie inne obiekty. Kubit można porównać do sfery, gdzie biegun północny to 0, a południowy to 1. Informacje mogą być w każdym momencie gdzieś na tej sferze. Kiedy kończymy obliczanie w ramach rejestru kwantowego w kubicie, musimy określić jego stan i przenieść do rejestru klasycznego, żeby otrzymać wynik. W dużym uproszczeniu wydajemy komendę: kubicie, teraz musisz wybrać - będziesz zerem czy jedynką? Na naszej sferze jedynymi punktami, które mogą się tak określić, są biegun północny i południowy. Każdy inny punkt jest od nich oddalony, niektóre są na równiku. Kiedy “zmuszam kubit” do podjęcia decyzji, operuję na prawdopodobieństwie. Punkty na równiku są w tzw. superpozycji, więc jest 50-proc. prawdopodobieństwo co do wyboru jednego albo drugiego bieguna.

Nic dziwnego, że komputery kwantowe są niezrozumiałe dla ludzi.

Mechanika kwantowa może przyprawić o ból głowy. Niewiele osób na świecie wie, jak to naprawdę działa, dlatego też trudno jest znaleźć fachowców, którzy będą umieli wykorzystać jej potencjał. Ludzie stworzyli nawet religie wokół mechaniki kwantowej. A do tego kubit zachowuje się inaczej niż bit. W przypadku 1 kubita można operować 2 informacjami - jaka jest pozycja wobec 0 i jaka jest pozycja wobec 1. W przypadku 2 kubitów mamy już 4 możliwe stany, 3 kubitów - 8. W przypadku 10 kubitów mamy już 1024 dozwolonych stanów. Gdy jednocześnie działa wiele kubitów, ilość danych, które mogą przetwarzać, rośnie wykładniczo. To właśnie dlatego komputery kwantowe mają tak dużą moc obliczeniową i dlatego są tak niezrozumiałe dla ludzi.

Ale po co nam w zasadzie tak potężne komputery?

Molekuła kofeiny jest relatywnie mała. Jednak gdybyśmy mieli opisać wszystkie informacje o jej konfiguracji energetycznej: elektronach, neutronach, protonach, to okazuje się, że jest ich przerażająco dużo. Aby opisać stan energetyczny tej molekuły, potrzebne jest wykorzystanie 10 do 48 potęgi. Szacuje się, że liczba atomów na ziemi to między 10 do 49. potęgi a 10 do 50. Czyli do kompletnego opisania molekuły kofeiny potrzeba co najmniej 10 proc. liczby atomów na świecie. Jednakże w przypadku komputera kwantowego potrzebujemy “zaledwie” 160 kubitów, aby przetworzyć te dane. Takich informacji nigdy nie uda nam się przetworzyć na klasycznym komputerze. Nawet jeśli weźmiemy cząsteczkę penicyliny, która jest trochę większa od kofeiny, to liczba informacji niezbędna do jej kompletnego opisania jest większa niż liczba atomów w widzialnym wszechświecie.

Z tego, co pan mówi, wynika, że komputery kwantowe przydadzą się przede wszystkim naukowcom.

Wydaje się bardziej prawdopodobne, że komputery kwantowe zostaną zastosowane najpierw do badań materiałowych niż np. do opracowywania nowych leków. Możemy tu mówić o wynalezieniu nowego cementu, lubrykantów, katalizatorów. Są to relatywnie małe molekuły, do których nie potrzeba dużych komputerów kwantowych.

A kiedy pierwsze nowe leki?

Najwcześniej za 10 lat, ale leki to nie wszystko. Fundusze emerytalne mogłyby minimalizować ryzyko inwestycji. Linie lotnicze będą mogły wykorzystywać komputery kwantowe do obliczania najbardziej efektywnej trasy spośród wszystkich innych tras. Komputery kwantowe mogą dokonywać obliczeń dla usług finansowych. Np. fundusze emerytalne, banki inwestycyjne mogą symulować sposób, w jaki świat zareaguje na dane wydarzenia. Robi się to przez symulację milionów różnych punktów, na tej podstawie powstaje model i wtedy prognozuje się np. wzrost cen. Komputery kwantowe mogą skrócić czas obliczeń i dokonywać ich z większą dokładnością. Mogą też z większą dokładnością przewidywać nieoczywiste wydarzenia, np. załamanie się wartości waluty.

Czy przybliżą nas do stworzenia sztucznej inteligencji?

Rozmawialiśmy już o superpozycjach. Ale mechanika kwantowa uwzględnia jeszcze jeden ciekawy stan - splątanie. Dwie cząsteczki niezależnie od tego, jak daleko są od siebie, są tak silnie skorelowane, że jeśli znasz stan jednej z nich, to również znasz stan tej drugiej. Jednakże nie jest możliwe określenie ich stanu jako pojedynczego elementu. W teorii działa to nawet, jeśli znajdują się na dwóch przeciwstawnych krańcach wszechświata. Einstein nienawidził splątania i określał mianem “przerażających działań na odległość”, bo chciał, żeby wszystko było zorganizowane i deterministyczne. A mechanika kwantowa mówi nam, że jest przeciwnie - świat oparty jest na prawdopodobieństwie. A samo splątanie można wywołać. Można sprawić, by poszczególne kubity były splątane z innymi. Dzięki temu nie tylko mamy wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej, ale też kubity zaczynają współdziałać. Czy można zastosować tę właściwość do rozwoju sztucznej inteligencji? Tego na razie nie wiem. Wiem, że komputery kwantowe mogą pomóc w przyspieszeniu AI na dwa sposoby. Pierwszy to analiza dzisiejszych algorytmów. Być może komputery kwantowe są w stanie je zoptymalizować i byłaby to poprawa obliczeń, które funkcjonują już dziś. A drugi to sprawdzenie, czy dzięki komputerom kwantowym możemy opracować zupełnie nowe algorytmy. Takie, które będą rozwiązywać te same problemy, ale w zupełnie inny sposób.

Pojawiają się pierwsze obawy, że komputery kwantowe zniszczą blockchain, bo będą w stanie go zdeszyfrować. To prawda?

Ta obawa często się powtarza dlatego, że zbyt rzadko mówi się o szczegółach. Historia zaczyna się w 1994 r., gdy matematyk Peter Shor stworzył niesamowity algorytm dla komputerów kwantowych, który wykładniczo przyspieszał obliczenia.

Gdy powstawał algorytm, komputerów kwantowych jeszcze nie było?

Nie. Nie było też kubitów, które dziś możemy podzielić na logiczne i fizyczne. Jego dowód odnosi się do kubitów logicznych. Różnica między tymi typami kubitów polega na tym, że kubity fizyczne obarczone są błędami. Nie zachowują się więc tak, jak zakładają to podręczniki. Ich działanie poprawia się z dnia na dzień, inżynierowie też są w stanie wyłapać błędy, ale one i tak się zdarzają. Inna kwestia to czas koherencji, czyli kubit fizyczny ma określony czas na obliczenia. W świecie obecnym wyglądałoby to tak: patrzysz na zdjęcie na smartfonie, ale po kilku sekundach poszczególne piksele się wyłączają. Z czasem tych nieaktywnych pikseli przybywa, aż w końcu wcale nie widzisz swojego zdjęcia. Czas odkąd zaczynasz patrzeć na zdjęcie do momentu, w którym piksele zaczynają się wyłączać, to właśnie czas koherencji. Aby stworzyć kubit logiczny potrzebna co najmniej tysiąca kubitów fizycznych. W największym komputerze kwantowym IBM jest 50 kubitów. Jeszcze nikomu nie udało się zbudować większego. Aby złamać szyfrowanie blockchaina potrzeba stu milionów fizycznych kubitów. My mamy 50. Jeśli dojdziemy do 100 milionów, to zajmie to dekady.

Zatem blockchain będzie bezpieczny jeszcze bardzo długo.

A co z zabezpieczeniami sieci? Na przykład infrastruktury państw?

W przypadku infrastruktury państwowej jest podobnie, złamanie obecnej kryptografii przez komputery kwantowe zajmie lata. Ludzie mówią częściej o blockchainie dlatego, że martwią się o swoje bitcoiny.

Nasuwa mi się następujący wniosek: komputery kwantowe nadejdą w ciągu kolejnych pięciu lat, ale nie wprowadzą radykalnych zmian.

Przyszłość nie jest w pełni kwantowa ani w pełni klasyczna - będzie hybrydowa. Widzimy to już teraz, bo algorytmy, z których korzystamy przy obliczeniach chemicznych, już teraz są hybrydowe. Klasyczne komputery nie odejdą i nie zostaną zastąpione przez komputery kwantowe.