Komputery kwantowe. Każdy, kto twierdzi, że zna ich przyszłość, prawdopodobnie próbuje nam coś sprzedać
Wewnątrz niskiego budynku w kompleksie biurowym niedaleko południowo-wschodniego krańca Zatoki San Francisco stoi grupa skąpanych w niebieskim świetle białych zbiorników. Wewnątrz znajdują się zestawy nadprzewodzących obwodów wytrawionych na chipach, wszystkie zawieszone na złotych konstrukcjach przypominających żyrandole i chłodzone ciekłym helem oraz ciekłym azotem. Nadprzewodzące chipy są wytwarzane w sąsiednim pomieszczeniu czystym, gdzie osoby ubrane w białe kombinezony pracują przy maszynach wielkości pokoju, dygestoriach i kąpielach kwasowych. Cały ten obiekt – chipy, zbiorniki, clean room oraz ogromne zapasy ciekłego azotu za budynkiem – służy realizacji jednego marzenia: komputerów kwantowych.
Opisane miejsce jest głównym zakładem produkcyjnym kalifornijskiej firmy Rigetti Computing zajmującej się komputerami kwantowymi; każdy zbiornik chłodniczy zawiera jeden z najnowocześniejszych kwantowych procesorów tej firmy. Eksperci mają nadzieję, że pewnego dnia komputery kwantowe będą wykonywać pewne rodzaje obliczeń rzędy wielkości szybciej niż wszechobecne dziś komputery klasyczne. „Mówimy o milionie, a nawet miliardzie razy większej szybkości przy bardzo, bardzo małym ułamku zużycia energii – mówi mi dyrektor generalny Rigetti, Subodh Kulkarni. – Na tym polega piękno komputerów kwantowych. Niewykluczone, że za ich pomocą da się rozwiązywać problemy, które dziś są nierozwiązywalne”.
Rigetti jest tylko jedną z dziesiątek firm liczących na wykorzystanie tych możliwości. W ciągu ostatnich 20 lat zarówno start-upy, takie jak Rigetti, jak i giganci pokroju IBM czy Google, zainwestowali ogromne środki w komputery kwantowe – tylko w 2023 roku fundusze venture capital przeznaczyły na ten cel 1,2 mld dolarów. Jest to także jeden z głównych obszarów badań na uniwersytetach i w laboratoriach rządowych na całym świecie. Wszyscy gonią za tym samym marzeniem, choć szczegóły tego marzenia zależą od tego, kogo zapytamy. Inwestorzy venture capital i lobbyści z Doliny Krzemowej obiecują, że komputery kwantowe „doładują” sztuczną inteligencję albo vice versa, lecz eksperci podchodzą do tych twierdzeń sceptycznie. Niektórzy, w tym Kulkarni, mówią o rewolucji w odkrywaniu leków, prognozowaniu pogody i sektorze finansowym. Rządy z kolei liczą na obiecywaną zdolność komputerów kwantowych do łamania szyfrów, które dotąd uznawano za niemożliwe do złamania.
Żadna z tych prognoz nie jest jednak pewna. Komputery kwantowe znajdują się obecnie w decydującym momencie swojej historii. Naukowcy mają nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku dekad nauczą się skalować współczesne systemy kwantowe do rozmiarów niezbędnych do osiągnięcia rzeczywistych przełomów i ostatecznego pokonania klasycznych maszyn w użytecznych zadaniach. Jeśli to się uda, komputery kwantowe mogą zmienić świat na wiele sposobów. Na drodze stoi jednak mnóstwo przeszkód, a dopóki nie zostaną one pokonane, nie będziemy wiedzieli, do czego te maszyny są naprawdę zdolne.
Czym właściwie jest komputer kwantowy? Kusi, by powiedzieć, że jest to komputer działający zgodnie z zasadami fizyki kwantowej. Ale taka definicja nie wystarcza – fizyka kwantowa rządzi zachowaniem całej materii, więc według tego kryterium wszystkie komputery byłyby komputerami kwantowymi. Podobnie nie wystarczy stwierdzenie, że komputer kwantowy to komputer wykorzystujący zjawiska kwantowe podczas działania. Niemal wszystkie współczesne komputery pracują dzięki krzemowym tranzystorom, których funkcjonowanie możemy zrozumieć wyłącznie poprzez fizykę kwantową.
Aby naprawdę odpowiedzieć na pytanie, co sprawia, że komputery kwantowe są kwantowe – i dlaczego tak trudno je zbudować – musimy porozmawiać o kocie Schrödingera. W oryginalnym eksperymencie myślowym opracowanym w latach 30. XX wieku przez Erwina Schrödingera, jednego z twórców mechaniki kwantowej, słynny kot zostaje zamknięty w pudełku wraz z bryłką promieniotwórczego metalu, fiolką trucizny oraz urządzeniem, które rozbije fiolkę, jeśli wykryje promieniowanie emitowane przez metal, zabijając kota. Fizyka kwantowa mówi, że jeśli pozostawimy pudełko zamknięte przez określony czas, istnieje 50-procentowe prawdopodobieństwo, że bryłka metalu wyemituje promieniowanie. Kluczowe jest jednak to, że dopóki nikt nie dokona pomiaru promieniowania, bryłka znajduje się w stanie superpozycji – stanie, w którym promieniowanie zostało jednocześnie wyemitowane i niewyemitowane. Oznacza to, że fiolka z trucizną również znajduje się w superpozycji stanu rozbitego i nierozbitego.
Kot będzie więc pozostawał w równorzędnej superpozycji życia i śmierci, dopóki nie otworzymy pudełka i nie sprawdzimy, jaki jest wynik. (To, co dokładnie stanowi „pomiar” w fizyce kwantowej, jest osobnym i bardzo złożonym zagadnieniem, o którym ludzie – w tym ja – napisali całe książki).
Wyobraźmy sobie teraz, że otwieramy pudełko nieco wcześniej, być może z troski o biedne zwierzę. W takim przypadku tuż przed otwarciem kot nadal znajdowałby się w superpozycji życia i śmierci, ale z większym udziałem „życia” niż „śmierci”. Czekając odpowiednio długo, można wprowadzić kota w dowolną superpozycję, zawierającą dowolne proporcje życia i śmierci.
To właśnie takie regulowane superpozycje sprawiają, że komputer kwantowy jest komputerem kwantowym. Konwencjonalne komputery wykorzystują swoje tranzystory do wykonywania obliczeń za pomocą bitów, które mogą znajdować się w jednym z dwóch stanów: zero albo jeden. Komputery kwantowe używają bitów kwantowych, czyli kubitów, które mają do dyspozycji znacznie więcej możliwości. Podobnie jak kot Schrödingera, kubity mogą znajdować się w dowolnej superpozycji zera i jedynki.
Kubity mają jeszcze jedną wspólną cechę z mającym pecha kotem. Gdy kot jest zamknięty w pudełku, staje się splątany z resztą jego zawartości, co oznacza, że jego stan kwantowy zostaje powiązany ze stanami kwantowymi bryłki metalu, urządzenia pomiarowego i trucizny. Podobnie komputery kwantowe muszą splątywać swoje kubity, aby wykonywać na nich obliczenia. Jednak podczas gdy splątanie między kotem a pozostałymi elementami pudełka zachodzi w sposób niekontrolowany, komputer kwantowy musi ściśle kontrolować splątanie pomiędzy kubitami: które z nich są splątane, jak silnie oraz w jaki sposób.
To właśnie połączenie kubitów w kontrolowany sposób splątanych ze sobą pozwala komputerom kwantowym wykonywać sztuczki, których zwykłe komputery nie potrafią, przynajmniej teoretycznie. Jedną z najczęściej przywoływanych możliwości odpowiednio dużego komputera kwantowego jest zdolność do znacznie szybszego obliczania rozkładu bardzo dużych liczb na czynniki pierwsze, niż potrafi to komputer klasyczny. Umożliwia to technika zwana algorytmem Shora, od nazwiska Petera Shora, informatyka teoretyka i matematyka z Massachusetts Institute of Technology, który opracował ją w 1994 roku (zatrudniony wówczas w Bell Labs).
„Szybciej” to właściwie niedopowiedzenie: teoretycznie, wykorzystując algorytm Shora, komputer kwantowy mógłby rozłożyć w ciągu kilku dni na czynniki liczbę, na której faktoryzację niekwantowy superkomputer potrzebowałby milionów lat. Ten imponująco szybki algorytm może wydawać się zastosowaniem niszowym, ale fakt, że rozkładanie dużych liczb na czynniki jest niezwykle czasochłonne dla konwencjonalnych komputerów, stanowi podstawę większości współczesnych metod szyfrowania, zwłaszcza tych używanych w Internecie. Komputer kwantowy nie byłby więc po prostu dobrym łamaczem kodów – mógłby złamać kryptografię stanowiącą fundament całego Internetu. Nic dziwnego więc, że rozwój komputerów kwantowych stał się priorytetem dla struktur bezpieczeństwa państw na całym świecie.
Komputery kwantowe mogą również wykorzystywać swoją imponującą zdolność kontrolowania własnych kubitów do naśladowania natury na poziomie dotąd nieosiągalnym, modelując oddziaływania atomów i cząsteczek z taką szczegółowością, której zwykłe komputery – pozbawione „kwantowości” właściwej naturze – nie są w stanie dorównać. Takie możliwości mogłyby doprowadzić do przełomów m.in. zarówno w fizyce i chemii, jak i w badaniach stosowanych dotyczących materiałoznawstwa czy leków. Niektórzy, w tym Kulkarni, uważają również, że komputery kwantowe mogą lepiej niż klasyczne maszyny rozwiązywać znane problemy, takie jak symulowanie rynków finansowych czy klimatu Ziemi.
Jest jednak pewien haczyk. Kot Schrödingera splątał się z resztą zawartości pudełka bez żadnego szczególnego wysiłku – splątanie powstaje naturalnie między obiektami, które w jakikolwiek sposób ze sobą oddziałują. W tej chwili również ty stajesz się w pewnym stopniu splątany z otaczającym cię powietrzem, powierzchnią, na której siedzisz lub stoisz, oraz ekranem albo czasopismem, w którym czytasz te słowa. Ten rodzaj naturalnego splątania pojawiającego się między układem kwantowym a jego otoczeniem nazywa się dekoherencją.
Dekoherencja jest zabójcza dla zdolności komputera kwantowego do wykonywania obliczeń. Aby procesor kwantowy zachował niezbędną kontrolę nad swoimi kubitami i ich splątaniem, musi być odizolowany od reszty świata podczas pracy. Musi również utrzymywać wysoki poziom kontroli nad fizycznymi oddziaływaniami między wszystkimi atomowymi składnikami swoich kubitów. Nie jest to łatwe do osiągnięcia nawet przez ułamek sekundy. Zapobieganie niepożądanym oddziaływaniom między elementami komputera kwantowego jest jedną z głównych przeszkód oddzielających dzisiejsze stosunkowo skromne komputery kwantowe od większych i potężniejszych maszyn, które naukowcy i inżynierowie mają nadzieję zbudować. Jedną z głównych strategii stosowanych przez badaczy jest utrzymywanie komputerów kwantowych w bardzo, bardzo niskiej temperaturze, ponieważ ciepło – czyli przypadkowy ruch atomów – powoduje niezamierzone splątania.
To wyzwanie wiąże się z największym nierozstrzygniętym pytaniem w dziedzinie komputerów kwantowych: jaki jest najlepszy sposób stworzenia kubitu? Bity w standardowych komputerach powstają dzięki zmianom napięcia na małych bramkach elektronicznych w układzie scalonym lub dzięki domenom magnetycznym na dysku twardym; kontrolowanie takich bitów już jest imponująco trudnym zadaniem. Jednak kubit musi być kontrolowany jeszcze precyzyjniej. Aby przeprowadzić obliczenia, komputer kwantowy musi być w stanie wprowadzić swoje kubity w określony początkowy stan kwantowy, następnie kontrolować ich splątanie, przepuszczając je przez sekwencję kwantowych bramek logicznych, a jednocześnie utrzymywać ich doskonałą izolację od otoczenia i zapobiegać niepożądanym oddziaływaniom między nimi samymi lub innymi elementami komputera kwantowego. Przez wiele lat po tym, jak komputery kwantowe zostały po raz pierwszy zapostulowane w latach 80., część ekspertów sceptycznie podchodziła do możliwości ich zbudowania. (Niewielka grupa badaczy nadal uważa, że stworzenie użytecznie dużych komputerów kwantowych jest niemożliwe). Jednak w ciągu ostatnich 20 lat naukowcy zbudowali działające komputery kwantowe, choć są one stosunkowo niewielkie i dysponują najwyżej kilkuset kubitami. Maszyny te są zbyt proste, aby wykonywać interesujące obliczenia, takie jak zaawansowane sztuczki związane z algorytmem Shora czy symulacje kwantowe; mogą rozwiązywać najwyżej niewielkie problemy demonstracyjne. Przeskalowanie ich do bardziej użytecznych rozmiarów oznacza konieczność postawienia na najlepsze podejście.
Kubity można tworzyć z wielu różnych materiałów. Naukowcy zaprojektowali kilka możliwych architektur i nie ma zgody, co do tego, która z nich jest najlepsza. „Istnieje wiele sposobów, aby to zrobić, i każdy uważa, że to właśnie jego sposób jest najlepszy” – mówi fizyczka Alaina Green z Joint Quantum Institute przy University of Maryland.
Dwa z głównych podejść do budowy kubitów opierają się na nadprzewodzących obwodach oraz na uwięzionych atomach lub jonach. Pierwsze z nich to mikroskopijne obwody elektroniczne wykonane z materiałów nadprzewodzących, takich jak glin lub tantal, które w ekstremalnie niskich temperaturach nie wykazują oporu elektrycznego. Ich zaletą jest to, że można je produkować z wykorzystanem odmian istniejących technologii wytwarzania układów scalonych, a także to, że działają bardzo szybko. Wadą nadprzewodzących kubitów jest fakt, że każdy taki chip składa się z miliardów bilionów atomów. Nawet przy temperaturze wynoszącej zaledwie jedną setną stopnia powyżej zera absolutnego obecność tak ogromnej liczby atomów sprawia, że układy tracą koherencję już po kilkudziesięciu mikrosekundach.
Drugą preferowaną strategią jest budowanie kubitów z pojedynczych atomów. To podejście sprawdza się tam, gdzie zawodzą kubity nadprzewodzące: gdy w grę wchodzi tylko jeden atom, łatwiej jest zapobiec dekoherencji. Kubity oparte na uwięzionych atomach lub jonach mogą zachowywać koherencję przez całe milisekundy. Jednak pojedyncze atomy są wolniejsze w użyciu, a inżynierowie nie mogą w tym przypadku wykorzystać istniejących technologii produkcji klasycznych układów scalonych. W rezultacie oba rodzaje kubitów są obecnie zdolne do wykonania mniej więcej podobnej liczby operacji przed utratą koherencji. Choć najpotężniejsze współczesne komputery kwantowe wykorzystują kubity nadprzewodzące, rozwiązania oparte na atomach i jonach plasują się za nimi.
Ostatecznie jednak, aby spełnić pokładane w nich nadzieje, komputery kwantowe będą musiały znaleźć sposoby na przynajmniej częściowe zwiększenie odporności na utratę kontroli. Błędy nieuchronnie pojawiają się podczas obliczeń kwantowych wskutek dekoherencji i innych niepożądanych efektów kwantowych. Choć nie istnieje sposób całkowitego zatrzymania dekoherencji, istnieje metoda kompensowania części błędów w komputerach kwantowych dzięki innemu słynnemu osiągnięciu teoretycznej informatyki kwantowej: kwantowej korekcji błędów. Proces ten, co niezwykłe, umożliwia w pewnych okolicznościach wykrywanie i korygowanie niepożądanego błędu w stanie kubitu bez całkowitego niszczenia jego superpozycji lub splątania z innymi kubitami – jest to trochę tak, jakby zmieniać proporcje życia i śmierci kota Schrödingera bez pełnego otwierania pudełka.
Istnienie takich kodów kwantowej korekcji błędów znacznie zwiększa szanse na osiągnięcie poziomu niezawodności potrzebnego kubitom do realizacji algorytmu Shora i wykonywania innych złożonych zadań obliczeniowych. Pomoc ta ma jednak swoją cenę. Kwantowa korekcja błędów działa poprzez grupowanie kubitów w tzw. kubity logiczne. W każdym kubicie logicznym tworzy się rodzaj kwantowej redundancji, reprezentując go za pomocą wielu rzeczywistych kubitów fizycznych, dzięki czemu błąd pojedynczego kubitu fizycznego ma mniejsze znaczenie. Aby korekcja błędów działała skutecznie, każdy kubit logiczny musi składać się z dużej liczby kubitów fizycznych – od około 100 do 1000. Aby uruchomić algorytm Shora dla jakiegokolwiek interesującego problemu lub niemal dowolnego innego użytecznego zastosowania, komputer kwantowy musi dysponować tysiącami kubitów logicznych. Oznacza to, że aby komputery kwantowe mogły osiągnąć swój oczekiwany potencjał, dzisiejsze systemy liczące kilkaset kubitów fizycznych muszą zostać przeskalowane do milionów kubitów fizycznych, których wzajemne splątanie będzie można niezwykle precyzyjnie kontrolować.
„Niedawne osiągnięcia dały jednak niektórym badaczom nadzieję, że korekcja błędów kwantowych może być możliwa z użyciem znacznie mniejszej liczby fizycznych kubitów. W jednym z ostatnich badań naukowcy z California Institute of Technology oraz start-upu zajmującego się komputerami kwantowymi Oratomic zaproponowali metodę korekcji błędów kwantowych wymagającą zaledwie około pięciu fizycznych kubitów na każdy kubit logiczny, co obniża próg potrzebny do realizacji algorytmu Shora do około 10 tys. kubitów. Badanie to nie przeszło jeszcze procesu recenzji naukowej, ale jeśli wyniki się potwierdzą, zbudowanie komputera kwantowego zdolnego do uruchomienia algorytmu Shora może stać się możliwe wcześniej, niż oczekiwano.
Nawet w takim przypadku jednak główne pytanie stojące przed tą dziedziną pozostanie bez odpowiedzi: jak długo potrwa skalowanie komputerów kwantowych do punktu, w którym staną się naprawdę użyteczne? Chociaż moc klasycznych komputerów rosła szybko przez ostatnich 60 lat zgodnie z prawem Moore’a – przewidywaniem nazwanym na cześć współzałożyciela Intela, Gordona Moore’a, według którego liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się mniej więcej co dwa lata – nie ma żadnej gwarancji, że komputery kwantowe podążą za tym samym wykładniczym trendem. Prawo Moore’a nie jest prawdziwym prawem natury – natomiast nieuchronność dekoherencji już nim jest.
Całe to skupienie na algorytmie Shora nie wynika wyłącznie z kwestii kryptografii i bezpieczeństwa narodowego. Ten słynny algorytm jest jedynym, co do którego naukowcy mają pewność, że pozwoli komputerowi kwantowemu wykonywać pewne zadania znacznie szybciej niż komputer klasyczny.
„Ludzie od dawna szukają innych algorytmów podobnych do algorytmu Shora i nie znaleźli żadnego – mówi Green. – Dosłownie żadnego.” Tworzenie algorytmów kwantowych jest trudne. Udowodnienie, że są one znacząco lepsze od istniejących algorytmów klasycznych, jest również trudne, a wykazanie, że przewyższają każdy możliwy do wymyślenia algorytm niekwantowy, jest zazwyczaj niezwykle trudne, jeśli w ogóle możliwe.
Naukowcy największe nadzieje wiążą z wykorzystaniem komputerów kwantowych do symulowania kwantowych aspektów natury.
„Powodem, dla którego komputery kwantowe zostały pierwotnie zaproponowane, była idea wykorzystania ich do symulacji układów kwantowych – mówi Ewin Tang, specjalistka od komputerów kwantowych z University of California w Berkeley. Jednak nawet w przypadku takich symulacji może się okazać, że komputery kwantowe nie będą lepsze od klasycznych. „Nie istnieje zbyt wiele bardzo konkretnych planów wykorzystania komputera kwantowego, które dawałyby możliwą do udowodnienia przewagę kwantową” – mówi Tang. Green zgadza się z tym poglądem. Niestety trudno jest sformułować ścisłe dowody, że symulacje kwantowe na pewno będą lepsze od obliczeń klasycznych – mówi. – Ale sądzimy, że powinno tak być.”
Nawet jeśli komputery kwantowe rzeczywiście okażą się lepsze w symulowaniu pewnych układów kwantowych, co wydaje się całkiem prawdopodobne, i nawet jeśli naukowcy opracują więcej algorytmów, które – podobnie jak algorytm Shora – będą wykazywać wyraźną i znaczną przewagę nad znanymi algorytmami klasycznymi, komputery kwantowe nadal nie będą lepsze od komputerów konwencjonalnych w większości zastosowań. „Twierdzenie, że komputery kwantowe mogą wykonywać wszystko szybciej niż komputery klasyczne, jest po prostu nieprawdziwe – mówi William Oliver, profesor elektrotechniki, informatyki i fizyki w MIT oraz współzałożyciel start-upu zajmującego się komputerami kwantowymi, który został niedawno przejęty przez Google. – Według obecnego stanu wiedzy istnieją tylko pewne problemy o określonej wewnętrznej strukturze, które pozwalają komputerowi kwantowemu wykorzystać jego »kwantowość«”.
W najlepszym możliwym scenariuszu komputery kwantowe będą wyspecjalizowanymi urządzeniami przeznaczonymi do rozwiązywania określonych rodzajów problemów. Najprawdopodobniej będą wykorzystywane razem z komputerami klasycznymi w centrach danych lub klastrach superkomputerowych – ale nie zostaną zminiaturyzowane do rozmiarów pozwalających umieścić je w telefonach komórkowych. „Rzeczy, w których komputery kwantowe są dobre, po prostu nie należą do tych, które ludzie muszą robić każdego dnia” – mówi Green. Za 30 lat możesz mieć w swojej apteczce lek opracowany z użyciem modeli uruchamianych na komputerach kwantowych – ale niemal na pewno nie będziesz posiadać własnego komputera kwantowego.
Mimo to niepewność wciąż obecna w tej dziedzinie nie powstrzymała świata biznesu przed formułowaniem prognoz ekonomicznych dotyczących komputerów kwantowych. W 2024 roku firma konsultingowa Boston Consulting Group przewidziała, że do 2040 roku komputery kwantowe wygenerują od 450 do 850 mld dolarów. „Przeszkody stojące przed rozwojem komputerów kwantowych w najbliższym okresie […] nie zagrażają długoterminowemu rozwojowi tej techniki ani rynku” – napisali autorzy raportu. Jednak ta sama grupa przyznała, że jej prognoza z 2021 roku dotycząca budowania wartości dzięki postępom w sprzęcie i oprogramowaniu kwantowym była zbyt „optymistyczna”.
Tego rodzaju buńczuczne prognozy dotyczące przyszłości komputerów kwantowych trudno traktować całkiem poważnie właśnie dlatego, że mimo wszystkich dotychczasowych osiągnięć dziedzina ta jest nadal młoda i pełna niewiadomych. „Komputery kwantowe są rzeczywistością, powstają na naszych oczach i będą wymagały czasu – mówi Oliver. – Potrzebna będzie praca inżynieryjna, a także dalsze badania naukowe. Nie wszystko zostało już rozwiązane.” Szacuje on, że większe komputery kwantowe mogą pojawić się za około 20 lat. „Niezależnie od tego, jaki okaże się ten horyzont czasowy, będziemy ich używać do lepszego zrozumienia, na gruncie nauki, otaczającego nas świata.”
Kiedy zapytałem Green, kiedy spodziewa się pojawienia naprawdę dobrych komputerów kwantowych, odpowiedziała bez ogródek: „Nie wiem i nie zamierzam niczego przewidywać. Byłabym bardzo zaskoczona, gdyby udało się znaleźć jakiegokolwiek fizyka, który by zaryzykował taką prognozę.” Mimo to z niecierpliwością na nie czeka. „Istnieje klasa problemów […], których nie mamy najmniejszych szans rozwiązać z użyciem komputerów klasycznych – mówi. – Dla mnie najbardziej obiecującym zastosowaniem komputerów kwantowych jest właśnie możliwość ich rozwiązania.”
W rzeczywistości nie wiemy, jak przyszłość czeka komputery kwantowe. Wiemy natomiast, że jest to fascynująca dziedzina, a stojące przed nią wyzwania naukowe są niezwykle interesujące – i że każdy, kto twierdzi, iż na pewno zna jej przyszłość, prawdopodobnie próbuje nam coś sprzedać.