W ostatnich dniach świat obiegła informacja o nowych komputerach kwantowych. Oprócz istniejącego komputera IBM, komputera D-Wave Systems mającego 5000 kubitów, który trafił do Los Alamos, pojawiła się informacja o komputerze Google'a mającym zaledwie 53 kubity. Ale to ten ostatni wywołał największe poruszenie. Dlaczego?

Mechanika kwantowa jest bardzo trudna do symulacji przy użyciu klasycznych komputerów, dlatego budujemy systemy kwantowe i je mierzymy. Nazywa się to symulatorem kwantowym.

Symulator kwantowy może być programowalny lub konfigurowalny. Z wystarczającą kontrolą staje się programowalny i może być używany jako uniwersalny komputer kwantowy. Kalkulator kwantowy D-Wave nie jest komputerem kwantowym w pełnej skali. Nadaje się on do optymalizacji problemów, ale wiele z najciekawszych zadań, w których komputery kwantowe będą dobre, jest poza jego zasięgiem. D-Wave sprzedaje to, co nazywamy kwantowo wzmocnionymi annealerami. [Digital Annealer to technologia, która jest wykorzystywana do natychmiastowego rozwiązywania problemów z optymalizacją kombinatoryczną na dużą skalę. Wykorzystuje cyfrową konstrukcję obwodu inspirowaną zjawiskami kwantowymi i może rozwiązywać problemy trudne i czasochłonne dla klasycznych komputerów – red.].

Maszyny IBM i Google'a są bardziej programowalne, choć nadal nie są to urządzenia kwantowe, o których wszyscy marzymy. Są one jednak na tyle programowalne, że za pomocą zaledwie 53 kubitów mogą wykorzystać mechanikę kwantową do rozwiązania pewnych problemów, którym tradycyjne komputery nie są w stanie podołać.

Czyli Google osiągnął więcej. Na czym polega supremacja kwantowa ich urządzenia?

Supremacja kwantowa to gra. Gra doradcza. Z jednej strony mamy komputer kwantowy, a z drugiej najpotężniejszy na świecie komputer klasyczny. Komputer kwantowy może wykonywać sekwencję operacji kwantowych. Są to tak zwane bramki kwantowe, wykonujące podstawowe obliczenia przeprowadzane przez algorytmy kwantowe.

Komputer kwantowy wykona sekwencję bramek wiele razy i stworzy wykres. Dla klasycznych komputerów to trudne zadanie i wydaje się, że potrzeba 10 tys. lat, aby liczba punktów na jego skali wyniosła 253 lub więcej. Dzieje się tak pod warunkiem, że komputer kwantowy jest wysokiej jakości (ma niski poziom szumów i jest wysoce programowalny), podobnie jak urządzenie Google'a.

Czym różni się komputer kwantowy od klasycznego?

Tradycyjna informatyka w pierwszym okresie została zbudowana na teorii funkcji, funkcji rekurencyjnych. Polega to na wywołaniu przez funkcję samej siebie w kółko.

Inne bardziej praktyczne modele pojawiły się dzięki Alanowi Turingowi i innym naukowcom. Podstawowym modelem obliczeń klasycznych, które znamy i stosujemy, jest – nazwany na cześć węgierskiego teoretyka – model von Neumanna [dane przechowywane są wspólnie z instrukcjami, co sprawia, że są kodowane w ten sam sposób – red.]. Kwantowy model obliczeń, przynajmniej taki, jaki jest używany, np. model budowany przez Google'a itp., przedstawiam w ostatniej pracy opublikowanej na stronie arxiv.org*. Pokazuję, że jest to rzeczywisty model obliczeń kwantowych. W tym modelu klasyczny komputer iteracyjnie kontroluje komputer kwantowy. Metoda nazywa się „wariacyjnym obliczeniem kwantowym (variational quantum computing)", ale udowodniłem, że wariacyjne obliczenia kwantowe dopuszczają uniwersalny model obliczeń kwantowych. Wariacyjny model obliczeń kwantowych tak naprawdę nie przypomina modelu von Neumanna.

Czy to znaczy, że w budowie prawdziwego komputera kwantowego jesteśmy gdzieś w epoce komputera lampowego ENIAC?

Bracia Wright dokonali praktycznie bezużytecznego cudu lotu w 1903 roku. Google dokonał praktycznie bezużytecznego cudu „kwantowej supremacji" w 2019 roku. Oba są równie fundamentalne dla naszego gatunku. I tak samo fundamentalne dla techniki.

Aby uzyskać praktycznie użyteczne produkty, oba wymagają rozwoju i zainteresowania ze strony dużej społeczności w ciągu najbliższych dziesięcioleci. Jesteśmy teraz świadkami tworzenia historii i nie możemy przestać jej urzeczywistniać.

W jakim kierunku zmierzają prace nad komputerami kwantowymi?

W nowym fantazyjnym modelu wariacyjnych obliczeń kwantowych chodzi o to, by uzyskać kwantowo przyspieszone wyniki. Innymi słowy, szukamy sytuacji, w których komputer kwantowy działa, nawet jeśli wyłączysz wszystkie „efekty kwantowe". Zwiększenie tych „efektów kwantowych" przyspiesza obliczenia.

Dlatego dzisiejsze maszyny kwantowe są interesujące. Już działają i mam nadzieję, że w przyszłości będą działać znacznie lepiej. Ponieważ poziom szumów spada, a techniki produkcji są doskonalone, zdolność tych maszyn do utrzymania efektów kwantowych wzrośnie. Ten wzrost przyspiesza obliczenia.

Załóżmy, że w pełni działający komputer kwantowy został opracowany. Czy nasze dane przestaną być bezpieczne?

Tak i nie. Niektóre rodzaje kryptografii oparte są na szyfrowaniu kluczem publicznym. Zasadniczo można złamać tę metodę, uwzględniając duże liczby. To niesie ryzyko, ale nie jesteśmy w stanie wykorzystać dzisiejszych komputerów kwantowych do zniszczenia całego globalnego rynku finansowego. A w miarę zbliżania się tego momentu można wprowadzić metody alternatywne, które nie są tak podatne na złamanie. Jedną z nich jest zastąpienie klasycznego szyfrowania opartego na kluczu szyfrowaniem kwantowym. Tak więc w przyszłości technologia kwantowa w zasadzie unieważni części obecnego systemu szyfrowania. Jednak ten sam postęp zaoferuje nowe metody zabezpieczeń.

Czy musimy się przed tym jakoś specjalnie chronić?

Wraz z upływem czasu nadejdzie rozwiązanie.

Jeśli przyjrzeć się historii idei kwantowego przetwarzania i zabezpieczania informacji, znajdziemy tu prace wielkiego polskiego teoretyka kwantowego Artura Ekerta. Technicznie rzecz biorąc, był moim szefem przez rok w Singapurze, w Centrum Technologii Kwantowych. To był bardzo twórczy czas w moim życiu, powstało wtedy wiele ciekawych publikacji i pomysłów, które znacząco wpłynęły na moją karierę. Oprócz Ekerta jest wielu innych wspaniałych polskich naukowców, którzy pracują nad teorią informacji kwantowej. Miałem przyjemność pracować z młodym polskim doktorantem, dziś doktorem Piotrem Migdałem.

Co możemy osiągnąć, używając komputerów kwantowych?

Wspaniałą rzeczą w komputerach kwantowych jest to, że pozwolą one zadawać pytania, których teraz nawet nie możemy pojąć. Chodzi o to, że nie zadajemy teraz pewnych pytań dotyczących np. materiałoznawstwa, ponieważ wiemy, że nie jesteśmy w stanie wykonać obliczeń, aby na nie odpowiedzieć. Komputery kwantowe pozwolą nam robić wiele rzeczy szybciej, ale co z pytaniami, których teraz nawet nie zadajemy? Dla mnie większość tych pytań dotyczy rzeczy, których teraz nie potrafimy sobie wyobrazić. Zbliżamy się jednak do ery komputerów kwantowych, a niektóre firmy stosują już takie prototypowe rozwiązania dla pewnych wyzwań przemysłowych, np. D-Wave.

Prof. Biamonte był prelegentem III edycji Konferencji Masters& Robots, która odbyła się w Warszawie 8–9 października.