Kwantowe maszyny wbrew sceptykom robią już pierwsze praktyczne rzeczy. Rozkładają wielkie liczby na czynniki pierwsze i symulują zachowanie cząsteczek chemicznych
Ostatnio na polu walki między starymi dobrymi superkomputerami a kwantową młodzieżą wypadki toczą się szybko (nomen omen).
Jeszcze nie opadł kurz po niedawnym zamieszaniu, a już czytamy nowe doniesienia z frontu. Poprzednia odsłona rywalizacji zaczęła się pod koniec września. Media obiegła wtedy informacja, że Google ma komputer kwantowy, który okazał się lepszy od klasycznego superkomputera firmy IBM („kwanciaki” konstruuje się już od lat, ale nie było wiadomo, czy w jakikolwiek sposób przewyższają tradycyjne maszyny).
Źródłowa publikacja informująca o tym dokonaniu zniknęła jednak szybko z internetu, a Google milczał.
Niemal dokładnie miesiąc później IBM opublikował informacje, w których dementował wyższość kwantowej maszyny (główny zarzut dotyczył niedoszacowania przez inżynierów Google’a mocy obliczeniowej klasycznego superkomputera, który według wyliczeń specjalistów z Armonk był jednak lepszy od kwantowego).
Dzień później nastąpił kolejny zwrot akcji. Szacowne „Nature” opublikowało pracę zespołu badaczy Google’a i wydziału fizyki University of California dowodzącą, że jednak kwantowy komputer jest lepszy od klasycznego.
Obliczenia wykonywane przez Sycamore (tak Google nazwał swój kwantowy procesor) nie miały żadnego praktycznego zastosowania. Eksperci komentowali, że był to raczej odpowiednik pierwszego lotu braci Wright, który dowodził, że można unieść się w powietrze maszyną cięższą od powietrza. Zanim kwantowe komputery do czegoś się przydadzą, miną lata – twierdzili niektórzy, także „Nature” w redakcyjnym komentarzu.
Tymczasem kwantowe komputery już teraz wykonują przydatne obliczenia – wynika z doniesień z konferencji Quantum for Business (Q2B), która odbyła się 10-12 grudnia w San Jose w Kalifornii.
Dlaczego kwantowe może być lepsze
Bramki logiczne, które są podstawą tradycyjnych, krzemowych komputerów, mogą przyjmować tylko stan zero lub jeden, więc jednocześnie można dokonać za ich pomocą tylko tylu obliczeń, ile mamy elementów obliczeniowych. Komputery kwantowe mogą swoje bramki logiczne utrzymywać w kombinacji dwóch różnych stanów fizycznych naraz, więc jeden element może wykonać dwa obliczenia równocześnie. Gdy zwiększamy liczbę kwantowych bramek logicznych (kubitów), moc obliczeniowa kwantowego komputera rośnie wykładniczo.
Wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej (czyli np. tysiąc, milion, miliard itd.) ma kapitalne znaczenie. Komputery kwantowe teoretycznie pozwalają po prostu wykonać w jednej jednostce czasu znacznie więcej operacji niż komputery tradycyjne. Innymi słowy to, co tradycyjnemu komputerowi zajęłoby miliardy jednostek czasu – lub wymagałoby miliardów procesorów – kwantowy komputer wykona od ręki. Jest to szczególnie istotne w przypadku bardzo złożonych problemów.
Łamliwe klucze
Jak podaje „New Scientist”, na konferencji Q2B w Kalifornii Google ogłosił, że jego kwantowy komputer Sycamore może generować ciągi losowych bitów, co klasyczny komputer przetwarza na liczby. Całość operacji trwa nieco ponad trzy minuty. Z pozoru to błahe osiągnięcie, ale klasycznemu komputerowi samo sprawdzenie, że liczby są w istocie losowe (a nie rządzi nimi ukryta prawidłowość, czyli są pseudolosowe), zajęłoby dziesiątki godzin.
Losowe ciągi cyfr są wykorzystywane w kryptografii, gdzie duże liczby losowe wykorzystuje się do tworzenia kluczy kryptograficznych. Na przyszły rok Google planuje stworzenie dostępnej publicznie usługi generowania takich liczb za pomocą komputera kwantowego.
Innym ważnym elementem kryptografii są duże liczby pierwsze, które służą do tworzenia kluczy. Tu nie próżnuje też największy rywal Google’a – IBM, który też ma własną kwantową maszynę. Na tej samej konferencji ogłosił, że współpracujący z nim start-up o nazwie Zapata opracował nową metodę rozkładu wielkich liczb na czynniki pierwsze (na przykład 1 099 551 473 989 na 1 048 589 razy 1 048 601).
Co ciekawe, dokonano tego za pomocą niewielkiej liczby kubitów, bo zaledwie ośmiu. Mniejszymi liczbami zajmował się komputer klasyczny, większymi zaś – kwantowy. Taki podział pracy okazał się bardzo udany.
Wiele technik stosowanych w kryptografii opiera się właśnie na tym, że niezmiernie trudno jest rozłożyć wielkie liczby na ich czynniki pierwsze. Nawet superkomputerom zadanie może zająć wiele dni, komputery kwantowe zaś mogą to bardzo przyspieszyć. Ich rozwój będzie oznaczać, że algorytmy szyfrowania oparte na liczbach pierwszych okażą się łatwe do złamania. Udana współpraca mieszana – zwykłego komputera ze słabym komputerem kwantowym – groźbę tę przybliża.
Jeśli każdy (kto dysponuje kwantowym komputerem) będzie mógł złamać klucz do szyfru, który koduje nasze dane przy bezpiecznym logowaniu w internecie, otworem staną przed nim pilnie strzeżone sekrety. Teoretycznie bez problemu dostanie się do naszego konta bankowego, a nawet samego banku. W praktyce, zanim taka sztuka komuś się uda, zostaną zapewne wprowadzone inne metody szyfrowania, odporne na „kwantowe łamanie” (jest ich kilkanaście).
Chemiczny symulator
Kwantowe komputery bardzo przydadzą się także w chemii.
Największą cząsteczką, jaką udało się zasymulować w komputerach klasycznych, jest łańcuch pentacenu, złożony z 22 atomów węgla i 14 wodoru (czyli 36 atomów). Obliczenia dotyczące większych cząsteczek szybko wymykają się możliwościom klasycznych komputerów właśnie dlatego, że stopień złożoności obliczeń rośnie tu wykładniczo, a nie liniowo.
Na tej samej konferencji Q2B Google ogłosił, że udała mu się symulacja łańcucha dwunastu atomów wodoru (czujnych czytelników spieszymy uspokoić, że łańcuchy atomów wodoru nie istnieją w naturze, ale są często wykorzystywane w symulacjach, bo atomy wodoru są łatwe do matematycznego modelowania). Osiągnięcie jest sporym postępem – poprzedni rekord symulacji na komputerze kwantowym dotyczył cząsteczki składającej się z zaledwie dwóch atomów.
To z pozoru mało interesujące osiągnięcie z zakresu chemii oznacza, że łatwiej będzie projektować nowe substancje chemiczne o pożądanych własnościach. Najważniejsze będzie zapewne w przemyśle farmaceutycznym, który będzie mógł łatwiej (i taniej) opracowywać nowe leki. Ale symulacje cząsteczek przydadzą się też w projektowaniu nowych materiałów, o których być może jeszcze się inżynierom nie śniło.
Zatem kwantowy wyścig się rozpoczął, prowadzi w nim Google, za nim plasuje się IBM. Zapewne za kilka lat każdy będzie mógł wykupić trochę mocy obliczeniowej „kwanciaka”, którego minuta pracy przyniesie więcej niż setki tysięcy godzin tradycyjnego komputera. A wszystko wskazuje na to, że kwantowe maszyny będą należeć do informatycznych gigantów.