Wbrew prawu nagłówków Betteridge’a – tak. I zrobią to szybciej niż klasyczne komputery

Kwantowe komputery, jak pisaliśmy niedawno, już działają i rozwiązują pierwsze problemy obliczeniowe. Czy mogą pomóc w walce z globalnym ociepleniem? I skąd w ogóle takie pytanie?

Zacznijmy od tego, że w walce z globalnym ociepleniem mamy kilka dekad opóźnienia. To, że spalanie węgla, ropy i gazu podgrzewa świat, wiadomo od dawna. Już 30 lat temu niewiele stało na przeszkodzie, by zatrzymać emisje cieplarnianych gazów (co szczegółowo opisał Nathaniel Rich w reportażu „Losing Earth. The Decade We Almost Stopped Climate Change”).

Kwantowe komputery mogą pomóc nadrobić stracony czas. Jak to możliwe?

Po pierwsze, są silniejsze. Moc tradycyjnych komputerów wraz z liczbą elementów obliczeniowych rośnie liniowo, kwantowych wykładniczo. Komputery kwantowe mogą więc rozwiązać ten sam problem, mając mniej elementów obliczeniowych i zużywając znacznie mniej energii. Ma to coraz większe znaczenie, bowiem przetwarzanie danych zużywa coraz więcej energii i podgrzewa świat.

Coraz więcej danych – nasze zdjęcia, muzykę, trasy przejazdu samochodem, preferencje odnośnie zakupów – przekazujemy do analizy maszynowym algorytmom. A sztuczna inteligencja jest przy tym szczególnie energożerna. Wytrenowanie przeciętnej sieci neuronowej odpowiada za emisję niemal 300 ton dwutlenku węgla – obliczyli badacze z University of Massachusetts Amherst. Przeciętny samochód przez kilkanaście lat swojego życia emituje pięciokrotnie mniej.

Elektryczne samochody i magazyny zielonej energii

Skoro już o samochodach mowa – jeśli marzymy o elektrycznych samochodach z dobrym zasięgiem (ale i elektrowniach słonecznych magazynujących prąd na noc i na pochmurną zimę), to potrzebujemy nowych baterii. A kwantowe komputery mogą się też bardzo przydać do szybszego postępu w dziedzinie technologii materiałowych. Energia odnawialna już teraz mogłaby odgrywać znacznie większą rolę – gdybyśmy mieli technologie pozwalające ją magazynować i uwalniać na żądanie. Dzisiejsze akumulatory są co prawda wystarczające na potrzeby przeciętnego jednorodzinnego domu (Tesla z powodzeniem sprzedaje swój Powerwall), ale są zbyt drogie i nietrwałe, by wykorzystywać je na skalę przemysłową.

Postęp w dziedzinie chemii i nauk materiałowych odbywa się żmudną metodą empirycznych badań. Komputery wspomagają ten proces, ale kwantowe znacznie przyspieszą proces projektowania. Daimler współpracuje już z IBM-em, aby wykorzystać możliwości kwantowych maszyn tej firmy w projektowaniu baterii litowo-siarkowych, które starczą na pięć razy dłużej niż stosowane dziś litowo-jonowe (wygląda jednak na to, że przełom w tej technologii przyszedł jednak z laboratorium australijskiego Monash University).

Jak komputery pomogą chemikom i inżynierom? Znów – dzięki temu, że ich moc obliczeniowa rośnie wykładniczo. Tak samo bowiem rosną wymagania obliczeniowe w symulacjach cząsteczek składających się z wielu atomów. Największą cząsteczką, jaką mogą symulować komputery klasyczne, jest złożony z kilkunastu atomów pentacen – ale i tu obliczenia na kilku tysiącach procesorów jednocześnie trwają dziewięć dni. Dla większych cząsteczek obliczenia są tak długie, że praktycznie mijają się z celem. Dla bardzo dużych, składających się z kilkudziesięciu atomów, czas obliczeń na komputerze klasycznym byłby dłuższy niż przewidywany przez fizyków czas istnienia Wszechświata.

Komputery kwantowe mogą obliczać kilka stanów cząsteczek (ściślej konfiguracji elektronowych) naraz. Już cztery kwantowe kubity to możliwość obliczenia nie czterech (jak na klasycznym komputerze), lecz szesnastu stanów naraz. Na maszynie z 20 kubitami obliczymy już milion stanów naraz, a na takiej z 50 (jak Sycamore Google’a) ponad biliard (to milion milionów) stanów naraz.

Pochłanianie dwutlenku węgla, produkcja wodoru

Ale do walki z globalnym ociepleniem nie wystarczy już, że zatrzymamy wzrost emisji. Międzyrządowy Panel do spraw Zmian Klimatu (IPCC) szacuje, że jeśli emisje w ciągu tej dekady nie spadną o połowę, a potem szybko do zera, będziemy musieli ten cieplarniany gaz z atmosfery jakoś usuwać. Emisje CO2 na razie spadać nie zamierzają. Pozostanie nam usuwanie. Całkiem dobrym rozwiązaniem jest sadzenie drzew, ale zanim urosną, miną dziesięciolecia.

Tymczasem ludzkość musi zacząć pochłaniać dwutlenek węgla szybciej. Tu znów z pomocą musi przyjść chemia i projektowane przez nią nowe materiały – bowiem żadne dzisiejsze nie czynią tego na tyle skutecznie, by móc robić to na skalę przemysłową. I choć w tym przypadku nie chodzi o symulowanie właściwości samych cząsteczek, ale reakcji chemicznych, obliczeniowy problem jest podobny. Wśród milionów różnych związków trzeba znaleźć taki, który najskuteczniej wiązać będzie dwutlenek węgla. Oczywiście można to robić jak dotychczas, metodą eksperymentów (czyli prób i błędów). Ale można sobie wyobrazić, że kwantowa maszyna pozwala na symulację miliardów takich eksperymentów na sekundę.

W walce z globalnym ociepleniem pomogłoby też wykorzystanie wodoru jako paliwa. Jeśli chcielibyśmy robić to na szeroką skalę, potrzebujemy katalizatorów, które usprawnią jego wytwarzanie z wody. Na razie potrafimy to robić za pomocą elektrolizy, czyli prądu elektrycznego. Ale jest to proces kosztowny i mało praktyczny. Katalizatory mogą go przyspieszyć lub sprawić, że wodę na tlen i wodór rozkładać będzie światło słoneczne (to tzw. fotoliza). Ale większość dostępnych dziś katalizatorów wymaga metali szlachetnych, na przykład platyny – a ich wysoka cena eliminuje zastosowanie takich materiałów na szeroką skalę.

Musimy więc szukać. A kwantowe komputery w poszukiwaniach bardzo nam pomogą. Takie chemiczne obliczenia zresztą są przeszukiwaniem – pewnej przestrzeni cech. I o ile tradycyjne komputery pozwalają szukać w jednym miejscu po drugim, kwantowe mogą to zrobić w kilku milionach miejsc naraz.

Od wynalezienia silników parowych do ich rozpowszechnienia minęło półwiecze (i podobny czas zajęło przyjęcie technologii silników spalinowych). Tyle mamy czasu, żeby odwrócić globalne ocieplenie. Żeby je zatrzymać, jak szacuje IPCC, mamy zaledwie dekadę. Kwantowe komputery dają szansę, by nadrobić stracony czas.

Prawo nagłówków Betteridge’a to reguła, według której na każdy nagłówek kończący się znakiem zapytania odpowiedź brzmi „nie”.

Skip to content