2017 - przełomowy rok dla komputerów kwantowych?

Rozpoczęty właśnie rok może stać się przełomowym w dziedzinie komputerów kwantowych. Prace nad tego typu maszynami trwają od wielu lat, jednak zawsze wydawało się, że od praktycznego zastosowania kwantowej maszyny dzielą nas dziesięciolecia.

Badania nad komputerami kwantowymi prowadzą nie tylko instytuty naukowe, ale też firmy prywatne, w tym Google i Microsoft. One stawiają sobie jak najbardziej praktyczne cele - chcą jak najszybciej przełożyć badania nad kwantowym przetwarzaniem danych na praktyczne zastosowania.

Google, które w 2014 roku rozpoczęło prace nad kwantowym komputerem wykorzystującym nadprzewodniki, ma nadzieję, że w roku bieżącym lub niedługo później pokaże komputer kwantowy, który będzie bardziej wydajny od maszyn klasycznych. Pojawienie się takiego komputera oznaczałoby początek kwantowej supremacji. Z kolei Microsoft pracuje nad topologicznym komputerem kwantowym i ma nadzieję, że już wkrótce dowiedzie, iż koncepcję tę można wykorzystać w praktyce.

Christopher Monroe, fizyk z University of Maryland, który w 2015 roku założył firmę IonQ, zapowiada, że już wkrótce przedsiębiorstwo zacznie zatrudniać ekspertów w dziedzinie kwantowego przetwarzania danych. Naprawdę powstają takie rzeczy. To już nie są czysto akademickie badania - zapewnia Monroe. Wtórują mu Robert Schoelkopf z Yale University, współzałożyciel firmy Quantum Circuits oraz były pracownik IBM-a, fizyk Chad Rigetti (firma Rigetti). Obaj zapowiadają, że ich przedsiębiorstwa osiągną wkrótce ważne punkty na drodze do zbudowania kwantowej maszyny.

Schoelkopf, który na Yale University kieruje pracą grupy budującej kwantowy komputer, mówi mamy wszystkie składniki i funkcje, których potrzebujemy. Przed uczonymi jeszcze wiele eksperymentów z dziedziny fizyki, jednak obecnie to już nie fizyka, a inżynieria są tymi dziedzinami, od których rozwoju zależy powstanie kwantowej maszyny. Obecnym rekordzistą w dziedzinie kwantowego przetwarzania danych jest eksperymentalna maszyna z Uniwersytetu w Innsbrucku, która pracuje z 20 kubitami.

Przewaga komputerów kwantowych nad maszynami klasycznymi jest, przynajmniej teoretycznie, olbrzymia. Tam, gdzie zwykły komputer wykona jedną operację na jednym bicie, komputer kwantowy wykona wszystkie operacje na wszystkich bitach. Dzieje się tak, gdyż kwantowy bit - kubit - nie ma ustalonej wartości "0" lub "1", ale może przyjmować obie wartości jednocześnie. W trzech bitach możemy zapisać 8 wartości. Jako że w danym momencie może być w nich zapisana jedna wartość, komputer klasyczny wykona jedną operację. Natomiast w trzech kubitach można jednocześnie zapisać wszystkie 8 wartości i wykonać na nich operacje. Zatem trzybitowy komputer kwantowy będzie 8-krotnie bardziej wydajny od swojego klasycznego odpowiednika. W przypadku maszyny 64-bitowej różnica jest jak 1:18 000 000 000 000 000 000. Tak olbrzymia wydajność powinna pozwolić komputerom kwantowym na wykonanie zadań, których maszyny klasyczne nie są w stanie wykonać.

Obecnie w pracach nad komputerami kwantowymi dominują dwie koncepcje. Jedna, wykorzystywana przez Google'a, IBM-a, Rigetti czy Quantum Circuits zakłada kodowanie stanów kwantowych w oscylującym prądzie elektrycznym krążącym w nadprzewodzących pętlach. Metoda druga, używana przez IonQ i wiele instytucji naukowych, to kodowanie kubitów w pojedynczych jonach utrzymywanych w próżniowych pułapkach przez pole elektryczne i magnetyczne.

John Martinis, były pracownik naukowy Uniwersytetu Kalifornijskiego z Santa Barbara, który od 2014 roku wraz ze swoim zespołem pracuje dla Google'a, mówi, że wykorzystywania przezeń technologia jest już na tyle dojrzała, iż możliwe stało się określenie momentu nadejścia kwantowej supremacji. Zespół Martinisa wykorzystuje chaotyczny algorytm kwantowy. Tam, gdzie działa on z małą liczbą kubitów, nie ujawnia swojej przewagi nad komputerem klasycznym. Jednak w momencie, gdy liczba kubitów zbliży się do 50 wydajność takiej maszyny przewyższy wydajność każdego komputera klasycznego.

Wyznaczenie i dotrzymanie terminu nadejścia kwantowej supremacji ma na celu przede wszystkim przyciągnięcie inwestorów. Jeśli uda się udowodnić, że komputer kwantowy stabilnie działa i jest bardziej wydajny od klasycznej maszyny łatwiej będzie znaleźć pieniądze na dalsze prace nad nim. Podejście takie nie zachwyca jednak założycieli Quantum Circuits. Chcą oni od razu zbudować maszynę z pełną korekcją błędów. Będzie to wymagało zastosowania większej liczby kubitów, ale za to taki komputer będzie w stanie od razu przeprowadzać bardziej złożone użyteczne obliczenia. Celem Quantum Cirtuits jest stworzenie 32- a może nawet 64-bitowego komputera kwantowego.

Nad całkowicie inną koncepcją pracuje Microsoft. Topologiczny komputer kwantowy ma opierać się na pobudzonej materii, w której informacje kodowane są dzięki krążeniu wokół siebie jej cząstek. Tego typu stany kwantowe byłyby znacznie bardziej odporne na zewnętrzne zakłócenia niż w innych rozwijanych koncepcjach i łatwiej byłoby przeprowadzać korekcję błędów. Problem jednak w tym, że dotychczas nikt nie uzyskał jeszcze odpowiedniego stanu wzbudzonej materii, nie mówiąc już o stworzeniu z niej wzbudzonego kubitu. Microsoft jednak się nie zraża i zatrudnia wybitnych naukowców, w tym Leo Kouwenhovena z Uniwersytetu w Delft, który - jak się wydaje - wytworzył odpowiedni stan wzbudzenia materii.

Bardziej ostrożni w swoich przewidywaniach i obietnicach są naukowcy pracujący dla instytucji rządowych czy akademickich. Jestem optymistą, co do tego, że w dłuższym terminie osiągniemy sukces, mówi David Wineland z amerykańskich Narodowych Instytutów Standardów i Technologii. Szybko jednak dodaje: jednak dłuższy termin oznacza, że nie wiem, kiedy to nastąpi.

komputer kwantowy Google Microsoft