Kiedy pojawią się komputery kwantowe? Czy nowe technologie i pomysły naukowców zmienią przyszłość informatyki?

Komputery kwantowe będą zdolne do łamania szyfrów, które dziś są niemożliwe do pokonania dla człowieka czy maszyny. Wszystko, co naukowcy muszą w tym celu zrobić, to wykorzystać fizyczne własności najmniejszych cząstek. Jednak idea, która przyświeca im już od dwudziestu lat, ciągle czeka na swoją praktyczną implementację.

BITY KONTRA KUBITY

Ogromne nakłady sił i środków, przeznaczane na badania nad tą koncepcją przez Google'a, Intela, innowacyjne firmy oraz przemysł zbrojeniowy każą zastanowić się, dlaczego giganci sądzą że przyszłość informatyki to właśnie komputery kwantowe. Czy naprawdę podwójna natura elektronu oraz zdolności nanoobiektów są nam do czegokolwiek potrzebne? Tajemnica ogromnych możliwości informatyki kwantowej leży w kubitach.

Zwykły bit przenosi wartość 1 lub 0. Bit kwantowy, czyli właśnie kubit, ma natomiast jeden lub więcej stanów. Może jednocześnie przyjmować wartość 1 i 0, każdą z nich z pewnym prawdopodobieństwem. Wynika to z zasady superpozycji, jednej z podstawowych zasad fizyki kwantowej.

Inna z takich podstawowych właściwości to splątanie. W przeciwieństwie do fizyki klasycznej, w stanie splątania lepiej określany jest stan całego układu, a nie tylko jego części. Wynika z tego, że dwie oddalone w przestrzeni cząstki wciąż tworzą układ i zmiana stanu jednej z nich wpływa na stan drugiej. Komputery kwantowe mogłyby dzięki tej własności dokonywać obliczeń równoległych. Taki komputer byłby w stanie, zamiast wykonywać tylko jedną operację w danym czasie, obliczać wszystkie dostępne rozwiązania danego problemu jednocześnie.

Brzmi to wspaniale, ale problemem jest skala. Do tej pory udało się zbudować komputery kwantowe o maksymalnej zawartości dziesięciu kubitów. Im ich więcej, tym trudniej odizolować układ od wpływu świata zewnętrznego, a te wpływy prowadzą do utraty przez maszynę właściwości fizyki kwantowej. Czy wobec tego jedyne nowe technologie, na jakie jesteśmy w najbliższym czasie skazani, to smartfony z coraz większymi ekranami?

Naukowcy pracują obecnie nad alternatywnym rozwiązaniem dla budowy dużego komputera kwantowego. Jest to stworzenie maszyny złożonej z modułów. Pewna część kubitów ma według tej koncepcji pełnić rolę węzłów pomiędzy modułami złożonymi z kubitów faktycznie tworzących moc obliczeniową komputera. Istnieje jednak konieczność dywersyfikacji tych połączeń, aby mogły spełniać różne role - przynajmniej przenosić stan splątania i izolować moduły od czynników zewnętrznych.

TRZY STRATEGIE

Naukowcy obmyślili obiecujące strategie, które pozwolą na stworzenie modułowych komputerów kwantowych w praktyce. Najprostszy z tych pomysłów to stworzenie kubitów z jonów. Do zapisu danych wykorzystuje się orbitę pojedynczego atomu, która może reprezentować stan 1, 0 lub ich kombinację. Moduły złożone są z kilku splątanych atomów, a skrajne jony emitują fotony, pozwalające na komunikację z innymi modułami.

Koncepcja kubitów nadprzewodzących polega natomiast na budowaniu modułów z tak zwanych obwodów nadprzewodzących. Kodowanie w obwodach elektrycznych stanu odbywa się z pomocą fotonów z zakresu mikrofal albo oscylacji prądu. Wewnątrz modułu, obwody są splątane fotonami, które można też przesyłać między modułami.

Trzecia idea opiera się na wykorzystaniu kryształów, na przykład diamentu zbudowanego z atomów węgla. Zmieniając skład sieci krystalicznej, można stworzyć defekt NV (azot-luka), który wraz z sąsiadującymi atomami pełni rolę kubitu. Ponownie, za połączenie między modułami odpowiadać mają fotony.

W dzisiejszych czasach komputery kwantowe to już teraźniejszość, nie przyszłość. To, co naukowcy są w stanie zbudować, jest jeszcze zbyt małe, by wywoływać prawdziwy entuzjazm. Jednak niektóre nowe technologie, nawet o stosunkowo niewielkim zasięgu stosowania, mogą wpływać bardzo znacząco na rzeczywistość. Nawet zbudowane tylko z kilku modułów komputery kwantowe nieodwracalnie zmienią informatykę i wszystkie liczne dziedziny życia, które dziś przenika.

Masz swoją ulubioną nową technologię? Jak według ciebie będzie wyglądała przyszłość informatyki? Czy upatrywanie jej w maszynach kwantowych to dobry trop, czy droga na manowce?