Redakcja: Czym jest komputer kwantowy i czym różni się od tych, które znamy obecnie?

Prof. Marek Kuś: Komputery kwantowe to pomysł ostatnich 20 lat. Od razu trzeba zaznaczyć, że komputer kwantowy w sensie stricte, w takim znaczeniu, w jakim chcielibyśmy widzieć komputer, którego używamy na co dzień, nie istnieje i jeszcze przez pewien czas na pewno istnieć nie będzie. Różnią się one tym, że w istotny sposób wykorzystują kwantowe własności układów do szybszego i efektywniejszego, a niekiedy nawet bezpieczniejszego przeprowadzania obliczeń. Opiera się to na mechanice kwantowej i choć wszystkie nasze urządzenia elektroniczne są oparte na urządzeniach, u podstaw których leży mechanika kwantowa, to ta kwantowość nie jest przez nie do końca wykorzystywana. Można więc wyobrazić sobie własności kwantowe, nieistniejące w świecie klasycznym, które używane w normalnych komputerach pozwolą na przyspieszenie obliczeń. To jest właściwie główna idea.

Wszystko to wiąże się z podstawowymi, niekiedy paradoksalnymi właściwościami mechaniki kwantowej, które są znane np. jako splątanie kwantowe. Za pomocą układów wykazujących tę cechę, a zasadniczo układy kwantowe ją wykazują, można takie obliczenia przeprowadzić szybciej i przynajmniej teoretycznie wiemy, że tak właśnie będzie. Dotychczas nikt nie zbudował komputera kwantowego w sensie stricte, ponieważ bardzo trudno jest utrzymać czysto kwantowe własności układów mikroskopowych, z których ma być docelowo zbudowany ten przyszły komputer, tak żeby one zaistniały na tyle długo, na ile potrzebujemy, żeby wykonać dane obliczenie. Mówiąc kolokwialnie one po prostu się psują i taki układ przestaje wykazywać cechy kwantowe.

W jakich dziedzinach i do czego przewiduje się używać takiego komputera?

Zależy to oczywiście w jakimś stopniu od inwencji człowieka i tego, jakie algorytmy wykorzystujące kwantowe własności układów mikroskopowych, z których będzie zbudowany komputer, da się wymyślić. Tych algorytmów nie jest wiele, ale wyobrażamy sobie, że będą to wszelkie problemy optymalizacyjne, czyli problemy, których rozwiązanie zajmuje bardzo dużo czasu, jak np. wyznaczanie optymalnych połączeń w jakichś sieciach czy problem komiwojażera. Polega to na tym, że spośród bardzo wielu rozwiązań trzeba wybrać jedno z jakiegoś punktu widzenia optymalne. To zastosowanie wydaje się najbardziej interesujące. Innym ciekawym zastosowaniem, dla którego istnieje algorytm jest też na przykład szybkie przeszukiwanie bazy danych, stanowiące swoiste „wąskie gardło” w obliczeniach i wymagające zazwyczaj dosyć długiego czasu. To też, jak się wydaje, będzie można przyspieszyć za pomocą komputerów kwantowych.

Czym zajmą się polscy naukowcy w projekcie „Komputery kwantowe w najbliższej przyszłości…”?

Tak jak wcześniej powiedziałem komputer kwantowy jeszcze nie istnieje, ale istnieje kilka konstrukcji, które można nazwać prototypami takich komputerów. Mają one zazwyczaj bardzo mało jednostek, na których przetwarza się informacje. Klasycznie można przetwarzać informacje za pomocą bramek logicznych, w których na wyjściu otrzymuje się coś innego niż na wejściu. Tutaj zasada jest podobna, tylko wykorzystuje się do tego układy kwantowe, np. spinowe. Trudność polega na tym, że te własności kwantowe bardzo łatwo zanikają, ponieważ jeśli układ jest duży, to trudno jest utrzymać w nim tzw. koherencję kwantową, czyli stan, gdzie rzeczywiście te wszystkie kawałki będą ze sobą odpowiednio oddziaływały. No i teraz powstaje pytanie, co można za pomocą takich prototypów zrobić? Jakie algorytmy będą działały na tego typu ograniczonych na razie do kilkudziesięciu podstawowych elementarnych bitów procesorach i do czego to można stosować? Aby uzyskać odpowiedź będziemy pewnym sensie tworzyć i sprawdzać nowe algorytmy.

Trzeba również wziąć pod uwagę, że konstrukcje, które dotychczas wykorzystujemy i które sobie teoretycznie wyobrażamy pracują w dosyć ekstremalnych warunkach, np. w wyjątkowo niskich temperaturach i są bardzo dobrze odseparowane od otoczenia. Oczywiście w praktyce wszyscy wiedzą, że tak się nie da, ponieważ komputer cały czas oddziałuje z otoczeniem, wymienia z nim energię czy grzeje się, co też bardzo wpływa na to, że ten układ przestaje być kwantowy, ulega dekoherencji i staje się normalnym klasycznym układem. Trzeba więc sprawdzić do jakiego stopnia takie oddziaływania psują nam w ogóle pomysł kwantowego obliczania i czy da się coś z tym zrobić, tzn., czy w bardziej realistycznych warunkach to nadal będzie działało, tak jak sobie wyobrażamy. To właśnie zamierzamy testować w naszym projekcie. Będziemy także przeprowadzać testy na wspomnianych prototypach, których co prawda nie posiadamy, ale są firmy, które je udostępniają właśnie do tego typu działań.

Oglądaj całość