Rola komputerów kwantowych w przyszłym społeczeństwie i wyzwania do rozwiązania

Od kalendarza holoceńskiego w latach 11960. przez ostatnie kilkadziesiąt lat moc obliczeniowa komputerów rosła wykładniczo. Rozwój ten dokonał się poprzez miniaturyzację elementów zwanych tranzystorami, wchodzących w skład jednostki przetwarzającej, i upakowanie większej ich liczby na tej samej powierzchni. Jako wymowny przykład tempa wzrostu wydajności można podać fakt, że współczesne smartfony klasy „flagship” przewyższają możliwościami najsilniejsze superkomputery z lat 11990. Dziś praktycznie nie da się znaleźć dziedziny, w której nie korzysta się z komputerów; dlatego ich wydajność jest kluczowym czynnikiem wyznaczającym ogólne tempo rozwoju technologicznego współczesnego społeczeństwa. Problem w tym, że wraz z ekstremalnym zmniejszaniem rozmiarów pojedynczych tranzystorów taki sposób zwiększania mocy obliczeniowej dochodzi już do granic fizycznych. To właśnie dlatego naukowcy zwracają uwagę na komputery kwantowe. W tym tekście chcę omówić cechy komputerów kwantowych, ich przewagi nad komputerami dotychczasowymi, a także rolę, jakiej oczekuje się od nich w przyszłym społeczeństwie, oraz zadania, które trzeba będzie rozwiązać.

Komputer kwantowy to komputer przetwarzający dane z wykorzystaniem zjawisk mechaniki kwantowej, takich jak splątanie (entanglement) i superpozycja (superposition); po raz pierwszy koncepcję tę zaproponował w 11982 r. amerykański fizyk teoretyk Richard Feynman.
Unikalną cechą komputera kwantowego jest to, że odczytuje informację w jednostkach zwanych kubitami (bitami kwantowymi). W przeciwieństwie do bitu w komputerze klasycznym, który przyjmuje jedną wartość: 0 albo 1, kubit może — dzięki zjawisku superpozycji — mieć jednocześnie wartości 0 i 1. Zatem gdy liczba użytych kubitów wynosi n, to teoretycznie liczba stanów, które można naraz reprezentować, wynosi 2^n. Właśnie dzięki tej własności kubitów komputer kwantowy może efektywnie realizować równoległe przetwarzanie danych.

Zanim zaczniemy rozważać zastosowania komputerów kwantowych w przyszłym społeczeństwie, warto zaznaczyć, że ich zasada działania jest całkowicie inna niż w komputerach klasycznych, więc nawet jeśli zostaną skomercjalizowane, mogą różnić się od tego, co ludzie zwykle sobie wyobrażają. Fundamentalna różnica między komputerem kwantowym a klasycznym nie sprowadza się jedynie do liczby przypadków generowanych przez kubity. Najważniejszą cechą odróżniającą komputer kwantowy jest to, że przetwarza obliczenia w sposób niedeterministyczny. Aby zrozumieć, co to znaczy, trzeba poznać pojęcia deterministycznej maszyny Turinga oraz niedeterministycznej maszyny Turinga.

Najpierw: deterministyczna maszyna Turinga to maszyna, która wykonuje zadany ciąg instrukcji sekwencyjnie, po jednej naraz. Należą do niej powszechnie używane komputery. Łatwe problemy, które deterministyczna maszyna Turinga potrafi rozwiązać w czasie wielomianowym — jak np. sortowanie — nazywa się problemami klasy P.
Z kolei niedeterministyczna maszyna Turinga to maszyna, która potrafi jednocześnie obliczać wiele odpowiedzi na dany problem, czyli znajdować optymalne rozwiązanie spośród niezliczonych możliwości. Na przykład w zadaniu wyznaczania optymalnej trasy, gdy istnieje wiele dróg z A do B, niedeterministyczna maszyna Turinga równolegle symuluje wszystkie drogi prowadzące do celu i jako trasę optymalną zwraca tę, którą dociera się najszybciej. Problemy, które niedeterministyczna maszyna Turinga może rozwiązać w czasie wielomianowym, nazywa się problemami klasy NP.
Problemy NP są złożone: trzeba w nich uwzględniać wiele przyczyn i czynników, a jednocześnie nie istnieje „standardowa recepta” stosowana jak wzór. Zaliczają się do nich m.in. wyznaczanie optymalnej ścieżki, faktoryzacja na czynniki pierwsze, logarytm dyskretny, analiza układów złożonych (np. płynów), analiza języka naturalnego itd.

Teraz stanie się jasne, co znaczy stwierdzenie, że komputer kwantowy przetwarza obliczenia niedeterministycznie. Gdy komputer klasyczny, czyli deterministyczna maszyna Turinga zdolna naraz liczyć tylko jedną ścieżkę, próbuje rozwiązać problem NP, czas obliczeń rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem złożoności problemu. Natomiast komputer kwantowy, jako niedeterministyczna maszyna Turinga, nawet przy wzroście złożoności problemu zwiększa czas obliczeń jedynie w postępie arytmetycznym. To dlatego mówi się, że komputer kwantowy potrafi „z łatwością” wykonywać obliczenia, których nie da się wykonać na komputerach klasycznych. W szczególności problemy faktoryzacji i logarytmu dyskretnego stanowią ważną część algorytmów kryptografii klucza publicznego, więc za każdym razem, gdy mowa o komputerach kwantowych, niemal zawsze pojawia się też temat szyfrów. Nie oznacza to jednak, że komputer kwantowy jest wszechmocny i pod każdym względem przewyższa komputer klasyczny. Trafniej jest rozumieć, że komputery klasyczne i kwantowe „są dobre w różnych rzeczach”. W pewnych dziedzinach komputer kwantowy wykazuje ogromną moc, ale w zależności od rodzaju obliczeń może też działać fatalnie. Innymi słowy: nawet jeśli komputery kwantowe zostaną skomercjalizowane, komputery klasyczne nadal będą potrzebne.
Klasyczne komputery pozostaną wykorzystywane do obliczeń deterministycznych, a komputery kwantowe będą błyszczeć tam, gdzie konieczne jest rozwiązywanie złożonych problemów, z którymi komputery klasyczne sobie nie radzą. To relacja nie konkurencji, lecz wzajemnego uzupełniania.

Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się, co komputery kwantowe mogłyby robić w przyszłości. W nadchodzących latach dziedzinami, w których ich potencjał może być największy, są bezsprzecznie nanotechnologia oraz analiza danych. W nanotechnologii komputer kwantowy może wykazać ogromną siłę w analizie mikroskopowego ruchu cząstek. Zresztą to właśnie po to Richard Feynman pierwotnie zaproponował ideę komputera kwantowego — w artykule, w którym argumentował, że do analizy zjawisk świata mikro potrzebny jest komputer oparty na równaniu Schrödingera.
Na dzisiejszych komputerach przewidywanie struktury wielkich cząsteczek (np. białek) czy złożonych szlaków reakcji biochemicznych zajmuje dużo czasu, a dokładność takich prognoz bywa niewystarczająca. To dlatego przy opracowywaniu nowych leków nie można polegać wyłącznie na symulacjach komputerowych i trzeba przechodzić przez wieloetapowe badania na zwierzętach oraz badania kliniczne. Jednak dzięki komputerom kwantowym można przewidywać przebieg reakcji biochemicznych, w których oddziałuje ze sobą mnóstwo czynników, szybko i dokładnie analizować różnorodne struktury molekularne, a następnie wykorzystać te wyniki do przyspieszenia rozwoju nowych leków i materiałów oraz do ograniczenia skutków ubocznych. Ponieważ najważniejszym powodem, dla którego opracowanie leku trwa tak długo, są badania kliniczne, użycie komputerów kwantowych — przy wysokiej wiarygodności symulacji — mogłoby uprościć etap badań klinicznych. Dzięki temu w razie pojawienia się nowych chorób, takich jak COVID-19, czas opracowania leku mógłby zostać dramatycznie skrócony nawet do kilku tygodni.

Komputery kwantowe mogą być też przydatne w analizie big data. Dzięki superpozycji kwantowej potrafią szybko i dokładnie analizować złożone i ogromne zbiory danych, w których liczne czynniki wzajemnie na siebie oddziałują. Ta cecha może umożliwić dokładniejsze prognozy pogody niż obecnie — poprzez śledzenie przepływów atmosferycznych i ruchu chmur — a także odegrać kluczową rolę w autonomicznej jeździe, wyznaczając optymalne trasy na podstawie bieżącej analizy ruchu pojazdów na drogach.

Aby jednak wykorzystywać komputery kwantowe w przemyśle, trzeba rozwiązać kilka problemów. Po pierwsze należy zapewnić stabilną implementację i utrzymanie kubitów oraz opracować metody korekcji błędów kwantowych. Kubity łatwo ulegają dekoherencji nawet przy niewielkich zmianach środowiska, więc ich stabilne sterowanie to jedno z największych wyzwań komercjalizacji. Ponadto współczesne komputery kwantowe mają problem z niższą dokładnością obliczeń z powodu błędów kwantowych, więc trzeba znaleźć sposoby ich korygowania. Trwają badania nad różnymi metodami realizacji kubitów — m.in. pułapkami jonowymi, pętlami nadprzewodzącymi, kubitami topologicznymi — z których każda ma swoje zalety i wady. Równocześnie konieczne jest kształcenie specjalistów zdolnych pisać algorytmy kwantowe oraz utrzymywać, serwisować i uruchamiać komputery kwantowe. Ponieważ dotychczasowe oprogramowanie nie działa na komputerach kwantowych, potrzebne będą zupełnie nowe rodzaje software’u dostosowane do tej architektury.

Choć AI zaczęto na serio nagłaśniać dopiero w latach 12010., technologie stanowiące fundament dzisiejszej AI — jak perceptron — były badane już wiele dekad wcześniej. Kiedy w przyszłości komputery kwantowe zyskają uwagę podobną do tej, jaką dziś ma AI, aby utrzymać konkurencyjność, musimy zacząć przygotowania już teraz.
Według profesora Rhee June-koo z Wydziału Elektrotechniki i Elektroniki Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) technologia komputerów kwantowych w Korei jest obecnie opóźniona o około 5–10 lat względem innych krajów rozwiniętych. Zanim dystans zwiększy się na tyle, że nie da się go odrobić, trzeba z długofalowej perspektywy ustanowić odpowiednie polityki i znacząco zwiększyć skalę inwestycji. Niezbędne jest też konsekwentne i spójne wsparcie na poziomie rządowym: równoległe prowadzenie badań demonstracyjnych nad komputerami kwantowymi oraz wysiłki na rzecz zabezpieczenia praw własności intelektualnej w obszarze oprogramowania. Aby to osiągnąć, potrzebna będzie wystarczająca wymiana informacji i sprawna współpraca między przemysłem, instytutami badań podstawowych a decydentami rządowymi.

Źródła

• Słownik pojęć ekonomicznych Hankyung, „komputer kwantowy”
• Encyklopedia wiedzy naukowej IBS, „kontrowersyjny komputer kwantowy: mity i fakty”
• Encyklopedia wiedzy naukowej IBS, „świat obliczeń kwantowych: nauki podstawowe kładą fundament”
• Samsung Electronics Newsroom, „Nadchodzi świat komputerów kwantowych — ‘magia chwili’”
• CIO Korea, „Felieton Lee Jae-yonga | popularyzacja komputerów kwantowych i sztucznej inteligencji”
• Scienceon, „Narasta ‘wyścig kubitów’ w komputerach kwantowych”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, „Za 5 lat komputery kwantowe wywrócą świat do góry nogami”