W 1943 r. Thomas Watson, ówczesny szef firmy IBM twierdził, iż na całym świecie będzie zapotrzebowanie może na pięć komputerów. Jego prognoza nie sprawdziła się i do dziś jest wyśmiewana, ale mogło tkwić w niej ziarno prawdy. IBM, Google, Microsoft, Alibaba i kilka innych firm pracuje dziś nad prototypowymi komputerami kwantowymi, które w ciągu dekady zmienią świat. „Obliczenia kwantowe zrewolucjonizują technikę obliczeniową w takim stopniu, jak wyzwolenie energii jądrowej odmieniło oblicze energetyki i zbrojeń” – przewidywał George Johnson w wydanej 17 lat temu książce „Na skróty przez czas”. Ta wizja jest coraz bliższa realizacji. Niedawno zespół badaczy z Google ogłosił, że osiągnął tzw. kwantową supremację. Zbudowany przez nich komputer kwantowy zwany Sycamore pierwszy raz okazał się szybszy niż klasyczna maszyna bazująca na krzemowych procesorach.
Sycamore w trzy minuty i 20 sekund wykonał obliczenia, na które wykorzystywany przez NASA superkomputer Summit musiałby przeznaczyć 10 tys. lat. I choć specjaliści z konkurencyjnego IBM twierdzą, że przewaga maszyny kwantowej wcale nie była tak duża, to sami przyznają, że przyszłość informatyki w dużym stopniu należy do takich wła-śnie rozwiązań. Nasza cywilizacja funkcjonuje dziś w dużym stopniu dzięki komputerom i danym, które one przetwarzają. A gdy potrzebna jest wielka moc obliczeniowa – tak jak przy przeliczaniu gigantycznych ilości danych produkowanych w akceleratorach CERN lub podczas symulowania działania mózgu w komputerze – stosowana dotychczas technologia krzemowa przestaje się sprawdzać.
Słynny Deep Blue, który w 1997 r. pokonał arcymistrza szachowego Garriego Kasparowa, miał 256 mikroprocesorów, a przed wykonaniem każdego ruchu analizował 25 mln możliwych pozycji. Gdyby zbudowano go z procesorów kwantowych, byłby 25 mln razy szybszy! Wielkie firmy wiedzą, że ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją. Komputery bazujące na tej technologii będą mogły bardzo szybko przeszukiwać ogromne ilości danych. Pozwolą też na modelowanie złożonych zjawisk fizycznych czy biochemicznych. – Kiedy w połowie XX wieku powstawały pierwsze tranzystory, uczeni nie mieli jeszcze pojęcia, do czego mogą zostać wykorzystane. Na pewno by nie przewidzieli, że dzięki nim powstaną np. smartfony. Dziś jesteśmy w podobnej sytuacji – mówi Todd Holmdahl, wiceprezes Microsoftu nadzorujący prace nad technologiami kwantowymi.
Wielkie firmy wiedzą, że ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją. Komputery bazujące na tej technologii będą mogły bardzo szybko przeszukiwać ogromne ilości danych. Pozwolą też na modelowanie złożonych zjawisk fizycznych czy biochemicznych. – Kiedy w połowie XX wieku powstawały pierwsze tranzystory, uczeni nie mieli jeszcze pojęcia, do czego mogą zostać wykorzystane. Na pewno by nie przewidzieli, że dzięki nim powstaną np. smartfony. Dziś jesteśmy w podobnej sytuacji – mówi Todd Holmdahl, wiceprezes Microsoftu nadzorujący prace nad technologiami kwantowymi.
Póki co jednak takich komputerów jest na świecie zaledwie kilka. Dostęp do nich mają uczeni i informatycy, którzy próbują udoskonalić kwantowe maszyny i nauczyć się, jak pisać na nie oprogramowanie. – W przyszłości raczej nie będziemy mieli takich komputerów we własnym domu czy w kieszeni. Te maszyny będą dostępne zdalnie, przez internet i tylko wtedy, gdy będą niezbędnie konieczne do przeprowadzenia skomplikowanych obliczeń – przyznaje dr Talia Gershon, dyrektor działu strategii badań w IBM. Możliwe więc, że przepowiednia Thomasa Watsona w pewnym sensie się spełni. Ale gdy to nastąpi, naszą cywilizację czekają przełomowe zmiany.
1. LOGISTYKA
Szybsze dostawy, mniej korków
Superkomputery potrafią dziś modelować złożone zjawiska klimatyczne i badać zjawiska zachodzące podczas gwałtownych zderzeń cząstek elementarnych. Ale gdyby miały znaleźć najkrótszą drogę łączącą 25 miast – czyli wykonać zadanie, z którym musi się zmagać codziennie szef każdej dużej firmy kurierskiej, zwane w matematyce problemem komiwojażera – zajęłoby im to dziesięciolecia. Dlatego logistyka w dużym stopniu wciąż opiera się na ludzkiej intuicji, a nie na matematyce.
Komputery kwantowe radzą sobie z takimi zadaniami obliczeniowymi znacznie lepiej niż klasyczne. I zdaniem ekspertów jest to jeden z pierwszych rzeczywistych problemów, z jakim się zmierzą w najbliższych latach. Ustalając najlepsze trasy dojazdu, pomogą nie tylko firmom kurierskim czy flotom ciężarówek dostawczych, ale też zwykłym kierowcom korzystającym z samochodowej nawigacji. Z podobnych powodów tą technologią interesują się motoryzacyjni giganci, tacy jak Daimler AG czy Volkswagen. Kwantowe obliczenia mają wspierać w przyszłości samochody autonomiczne i usprawniać kursowanie autobusów w miastach. Nad stworzeniem symulatora ruchu miejskiego pracowała też polska
Bohr Technology. – Nasz system pomoże rozwiązać problemy z optymalizacją ruchu miejskiego, ustawieniem świateł czy działaniem nawigacji GPS w samochodach. W tym celu będziemy wykorzystywać sztuczną inteligencję i komputer kwantowy – zapowiadał Witold Kowalczyk, prezes firmy. Niestety, rok temu zakończyła ona swą działalność.
2. CHEMIA
Ekologiczne nawozy, skuteczniejsze leki
Wybitny fizyk Richard Feynman powiedział kiedyś, że aby naprawdę zrozumieć naturę, potrzebujemy fizyki kwantowej. Ma to zastosowanie zwłaszcza w chemii, która opisuje wszak reakcje zachodzące między poszczególnymi atomami i cząsteczkami – a więc tam, gdzie działają prawa fizyki kwantowej. Nawet w stosunkowo nieskomplikowanych procesach chemicznych biorą udział miliardy takich elementów jednocześnie. Symulowanie ich za pomocą komputerów dało początek nowej dziedzinie, zwanej chemoinformatyką.
Jednak takie obliczenia na klasycznych komputerach są niezwykle skomplikowane. Dość powiedzieć, że aby opisać zachowanie jednej tylko cząsteczki wody, informatycy potrzebują 16 tys. bitów. Na komputerze kwantowym wystarczyłyby zaledwie 24 kwantowe bity, zwane kubitami. Obecnie najlepsze maszyny tego typu dysponują ok. 50 kubitami. To wciąż za mało, by doprowadzić do przełomu w chemoinformatyce, ale może on nastąpić już za kilka lat. Naukowcy twierdzą, że komputer dysponujący 100 kubitami pozwoli już na modelowanie reakcji chemicznych, takich jak tzw. metoda Habera i Boscha.
Służy ona m.in. do produkcji nawozów sztucznych, bez których nie może się obejść współczesne rolnictwo. Usprawnienie tych reakcji dałoby ogromne korzyści finansowe, a jednocześnie pomogłoby nam walczyć z katastrofą klimatyczną. Sama tylko metoda Habera i Boscha odpowiada za co najmniej 1 proc. emisji dwutlenku węgla do atmosfery przez naszą cywilizację. Komputery kwantowe mogą pomóc naukowcom pracującym nad innymi zjawiskami chemicznymi. Ogromnej mocy obliczeniowej wymaga modelowanie
cząsteczek nowych leków, których działanie można sprawdzać za pomocą symulacji komputerowych, ograniczając eksperymenty na zwierzętach. Podobnych narzędzi potrzebują naukowcy opracowujący nowe nadprzewodniki – dzięki nim możliwe byłoby ograniczenie strat energii podczas przesyłania jej na duże odległości i wprowadzenie na dużą skalę pociągów poruszających się na poduszce magnetycznej.
Nic dziwnego, że technologia ta budzi już dziś zainteresowanie przemysłu. Gdy niedawno Microsoft ogłosił, że pozwoli programistom na dostęp do komputerów kwantowych przez internet, czyli w chmurze Azure Quantum, jednym z pierwszych stojących w kolejce klientów był amerykański Dow Chemical Company, jeden z trzech największych koncernów chemicznych na świecie.
3. FIZYKA
Nowa energia i cząstki elementarne
Na większą moc obliczeniową czekają także fizycy. Potrzebują jej do modelowania skomplikowanych, chaotycznych zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Przykładem może być projektowanie reaktorów termojądrowych mających dostarczać ogromnych ilości energii. Wymaga to podgrzewania atomów do ogromnych temperatur i ściskania ich z użyciem pola magnetycznego. Modelowaniem tego procesu zajmują się dziś potężne komputery, ale nadal bez powodzenia.
Możliwe, że zadaniu temu sprostają dopiero maszyny kwantowe. Innego przełomu w fizyce mogą dokonać specjaliści z Microsoftu zatrudnieni w specjalnym laboratorium firmy pod nazwą Station Q. Komputer kwantowy, nad którym pracują, ma wykonywać obliczenia dzięki tzw. enionom. To cząstki, które pojawiają się wskutek oddziaływania między elektronami w niskich temperaturach. Enion zachowuje się jednocześnie jak elektron i antyelektron, co daje uczonym nowe możliwości zbudowania komputera kwantowego. – Eniony nie są materialne, ale przecież cząstki powstające podczas eksperymentów w akceleratorach takich jak działające w CERN-ie też nie są. Ważne, że takie zjawiska można zmierzyć i wykorzystać do wykonywania obliczeń – wyjaśnia Alex Bocharov, matematyk i informatyk ze Station Q. Faktem jest jednak, że istnienia tych enionów, które chce wykorzystać Microsoft, do dziś nie udało się jednoznacznie potwierdzić. Koncern zwerbował do tego projektu wybitnych uczonych, którymi kieruje Michael Freedman, laureat Medalu Fieldsa – nagrody dla matematyków porównywanej z Noblem. Na razie firma nie chwali się wynikami badań, ale jeśli się jej powiedzie, otworzy zupełnie nowy rozdział w fizyce.
4. PROGNOZY
Modelowanie mózgu i ekonomii
Dziś superkomputery przewidują pogodę, projektują nanomateriały, pozwalają poznać działanie pojedynczych komórek i całych galaktyk. Ale naukowcy pracują już nad nowymi wyzwaniami obliczeniowymi. Takie symulacje będzie można uruchomić dopiero na maszynach, które powstaną w przyszłości – co najmniej stukrotnie szybszych niż te istniejące dzisiaj. Jednym z takich przedsięwzięć jest międzynarodowy Human Brain Project, czyli symulacja działania ludzkiego mózgu. Dzięki niej będzie można poznać mechanizmy leżące u podstaw takich schorzeń, jak depresja, choroby Alzheimera czy Parkinsona. Na wirtualnym mózgu będzie też można przeprowadzać testy nowych leków. Wyzwanie jest ogromne, ponieważ do tej pory udawało się symulować co najwyżej działanie fragmentu kory mózgowej. Stworzenie modelu obejmującego to, co mamy pod czaszką – 86 mld neuronów i biliony łączących je synaps – będzie prawdopodobnie wymagało wykorzystania komputerów kwantowych.
Równie ambitny projekt nazwano Living Earth Simulator. Miałby on pomieścić wszelkie dostępne dane o naszej planecie – od pogody po nastroje społeczne. System ma na bieżąco śledzić sieci społecznościowe, systemy bankowe i handel akcjami, publikacje na stronach informacyjnych, dane dotyczące przemieszczania się ludności i zmiany klimatyczne, by usiłować zrozumieć wzorce rządzące zachowaniami ludzi. W ten sposób można by przewidywać np. kryzysy finansowe.
5. KOMPUTERY
Szybsza i skuteczniejsza sztuczna inteligencja
Maszyny potrafią już uczyć się tak jak my – a nawetlepiej. Dzięki sztucznej inteligencji mapy Google wiedzą, jak najszybciej dojechać pod wskazany adres, a maszyny wykorzystywane przez inwestorów błyskawicznie kupują i sprzedają akcje na giełdzie. Wciąż jednak nie radzą sobie dobrze ze stosunkowo łatwymi dla człowieka zadaniami, takimi jak kierowanie samochodem. Dlaczego? Algorytmy sztucznej inteligencji uczą się np. rozumienia ludzkiej mowy, analizując ogromne zbiory danych i poprawiając swe błędy. Taki trening zajmuje im nierzadko wiele tygodni i to nawet wtedy, gdy mają do dyspozycji bardzo szybkie komputery. – Kwantowe obliczenia mogą radykalnie skrócić ten czas. Będą też sprawdzały się przy szybkim wyszukiwaniu danych – przewiduje dr Talia Gershon z IBM.
Szybkość w tym przypadku ma znaczenie nie tylko technologiczne. Uczeni z Uniwersytetu Massachusetts obliczyli niedawno, że „wyszkolenie” jednego komputerowego algorytmu wiąże się z emisją dwutlenku węgla porównywalną z użytkowaniem pięciu samochodów przez cały okres ich eksploatacji. W efekcie firmy takie jak Google zużywają rocznie po kilka terawatogodzin energii elektrycznej – tyle, ile duże miasto. Oczywiście komputery kwantowe też zużywają prąd, np. do schładzania procesorów, które mogą pracować tylko w temperaturach bliskich zera absolutnego. Ale ten wydatek może się opłacać, bo szybsze obliczenia dadzą oszczędność energii i mniejszy wpływ sektora nowych technologii na zmiany klimatyczne.
6. KOMUNIKACJA
Szyfrowanie nie do złamania
Komputery kwantowe dobrze nadają się do wykonywania obliczeń, które są obiektem zainteresowania tajnych służb i hakerów. Chodzi o podsłuchiwanie szyfrowanej transmisji danych, dzięki której zabezpieczane są dziś np. operacje bankowe. Najlepszym dostępnym dziś superkomputerom złamanie takiego szyfru zajęłoby dziesiątki lat. Maszyn wykorzystująca zjawiska kwantowe mogłaby się z tym uporać w kilka sekund. Na szczęście nie jest to takie proste, jak mogłoby się wydawać. Łamanie najczęściej obecnie stosowanych szyfrów RSA sprowadza się do rozkładu dużych liczb na czynniki pierwsze. Już w 1994 r. Peter Shor, informatyk pracujący w AT&T Bell Laboratories, wymyślił sposób na szybkie wykonanie tego zadania z użyciem maszyny kwantowej. Siedem lat później udało się sprawdzić jego pomysł w praktyce. Grupa naukowców z IBM i Stanford University zastosowała algorytm Shora na komputerze kwantowym składającym się z siedmiu kwantowych bitów, czyli kubitów.
Czy w ten sposób udało się złamać jakiś szyfr? Nie – uczeni dokonali jedynie rozkładu liczby 15 na czynniki 5 i 3, a więc czegoś, co potrafi uczeń szkoły podstawowej. – Do złamania stosowanego dziś powszechnie szyfrowania danych potrzebny byłby komputer kwantowy złożony z tysięcy, a może nawet milionów kubitów – wyjaśnia Dragos Ilie z Imperial College London. Na taką maszynę przyjdzie nam poczekać jeszcze wiele lat, o ile nie dziesięcioleci. Perspektywa wydaje się odległa, ale organizacje rządowe takie jak NASA już dziś dbają o to, by ich dane były szyfrowane za pomocą technologii odpornych na kwantowe włamanie. Co więcej, badania fizyków i informatyków mogą doprowadzić do kolejnego przełomu w tej dziedzinie. Chodzi o szyfrowanie kwantowe, które wykorzystuje zjawiska zachodzące na poziomie fotonów i cząstek elementarnych w telekomunikacji. Transmisji zabezpieczonej w ten sposób nie można podsłuchać – każda ingerencja w przesyłane dane niszczy je. Możliwe więc, że internet przyszłości będzie działał m.in. dzięki technologiom kwantowym.
7. KOSMOLOGIA
Poszukiwanie wszechświatów równoległych
W 1985 r. prof. David Deutsch, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, zaproponował teoretyczny model komputera kwantowego. Zwykłe komputery wykonują obliczenia na seriach bitów – „zer” i „jedynek”. Komputery kwantowe wykorzystują kwantowe bity, czyli kubity, które mogą przybierać obie te wartości jednocześnie – to tzw. superpozycja. Dzięki niej moc obliczeniowa rośnie w ogromnym tempie. Dlaczego tak się dzieje? Zdaniem części uczonych – w tym samego prof. Deutscha – w rzeczywistości istnieje bardzo wiele bliźniaczych wszechświatów. Nasz Wszechświat jest tylko jednym z nich i wchodzi w skład ogromnego multiwersum. Niestety, światy przenikają się tylko na poziomie subatomowym. Ale na tym właśnie poziomie funkcjonują komputery kwantowe i to właśnie stąd bierze się ich ogromna moc obliczeniowa. – Ta technologia wynika ze współpracy między różnymi wszechświatami. Komputery kwantowe są więc kluczem do pogłębienia naszej wiedzy o rzeczywistości – mówi prof. Deutsch.
Tej hipotezy nie da się na razie jednoznacznie potwierdzić badaniami. Ale możliwe, że uda się to właśnie dzięki temu, że bogate firmy prywatne inwestują dziś w badania nad komputerami kwantowymi. Być może produktem ubocznym tych prac będzie odkrycie zjawisk, które wydają się należeć do świata science fiction: równoległych rzeczywistości, podróży w czasie lub do innych wymiarów.