Mogą zapoczątkować złoty wiek mocy obliczeniowej, rozwiązując problemy trudne do rozwiązania na dzisiejszych maszynach.

Mniej kg, więcej flopsów – gdzie są granice?

Od lat czterdziestych XX wieku klasyczne komputery poprawiały się w zawrotnym tempie. Dziś można kupić zegarek na rękę o większej mocy obliczeniowej niż najnowocześniejszy komputer wielkości pomieszczenia sprzed pół wieku. Postępy te wynikały zazwyczaj ze zdolności inżynierów elektryków do tworzenia coraz mniejszych tranzystorów i obwodów oraz łączenia ich coraz bliżej.

Ale ta redukcja ostatecznie osiągnie fizyczną granicę - gdy elektronika komputerowa zbliży się do poziomu atomowego, niemożliwe stanie się kontrolowanie poszczególnych komponentów bez wpływu na sąsiednie. Klasyczne komputery nie mogą być ulepszane w nieskończoność, przynajmniej przy użyciu konwencjonalnego skalowania.

Obliczenia kwantowe odpowiedzią na problem?

Obliczenia kwantowe, pomysł zrodzony w latach 80, mogą pewnego dnia przenieść nas w nową erę szybkich komputerów. Metoda wykorzystuje zjawiska mechaniki kwantowej do wykonywania skomplikowanych obliczeń niewykonalnych dla klasycznych komputerów. Teoretycznie obliczenia kwantowe mogłyby rozwiązać w ciągu kilku minut problemy, które zajęłyby klasycznym komputerom tysiąclecia.

Nowy rodzaj informatyki – informatyka kwantowa

Informatyka przede wszystkim pomaga zrozumieć podstawy klasycznych komputerów, przechowujących i przetwarzających informacje w postaci binarnych bitów, z których każdy ma wartość 0 lub 1. Typowy laptop może zawierać miliardy tranzystorów wykorzystujących różne poziomy napięcia elektrycznego do reprezentowania jednej z tych dwóch wartości. Chociaż kształt, rozmiar i moc klasycznych komputerów są bardzo różne, wszystkie działają na tym samym podstawowym systemie logiki binarnej.

Komputery kwantowe są zasadniczo różne. Każdy z ich bitów kwantowych, zwanych kubitami, może mieć wartość 0, 1 lub być równoczesną kombinacją tych dwóch stanów. Dzieje się tak dzięki zjawisku mechaniki kwantowej zwanym superpozycją. Cząstka kwantowa może zachowywać się tak, jakby znajdowała się w dwóch miejscach jednocześnie - wyjaśnia John Chiaverini, badacz z Quantum Information and Integrated Nanosystems Group w MIT Lincoln Laboratory.

Cząstki mogą być również ze sobą „splątane”, ponieważ ich stany kwantowe zostają nierozerwalnie połączone. Superpozycja i splątanie pozwalają komputerom kwantowym rozwiązywać niektóre rodzaje problemów wykładniczo szybciej niż komputery klasyczne.

Gdzie tego użyjemy?

Chiaverini wskazuje na konkretne aplikacje, w których komputery kwantowe mogą się od razu pojawić. Na przykład świetnie radzą sobie z obliczaniem dużych liczb, co jest kluczowym narzędziem w kryptografii i bezpieczeństwie cyfrowym. Mogą również symulować złożone układy molekularne, co może pomóc w odkrywaniu leków. W zasadzie komputery kwantowe mogłyby zrewolucjonizować wiele dziedzin badań i przemysłu - gdybyśmy tylko mogli je zbudować w sposób niezawodny. TeamQuest informował Was już o zastosowaniu takich maszyn w generowaniu liczb prawdziwie losowych.

Czemu jeszcze nie mam na biurku komputera kwantowego?

Systemy kwantowe nie są łatwe w zarządzaniu ze względu na dwa powiązane wyzwania. Po pierwsze, stan superpozycji kubitu jest bardzo czuły. Niewielkie zakłócenia środowiskowe lub wady materiałowe mogą powodować błędy kubitów i utratę informacji kwantowych. Ten proces, zwany dekoherencją, ogranicza żywotność kubitu.

Drugie wyzwanie polega na sterowaniu kubitem w celu wykonywania funkcji logicznych, często osiąganych poprzez precyzyjnie dostrojony impuls promieniowania elektromagnetycznego. Sam ten proces manipulacji może generować wystarczającą ilość przypadkowego szumu elektromagnetycznego, aby spowodować dekoherencję. Aby zwiększyć skalę komputerów kwantowych, inżynierowie będą musieli znaleźć równowagę między ochroną kubitów przed potencjalnymi zakłóceniami i utrzymaniem możliwości pozwalania na manipulowanie nimi do obliczeń. Ta równowaga mogłaby teoretycznie zostać osiągnięta za pomocą szeregu układów fizycznych, chociaż obecnie dwie technologie są najbardziej obiecujące: nadprzewodniki i uwięzione jony.

Sprawdź oferty pracy na TeamQuest

Nadprzewodniki i pułapki na jony

Nadprzewodzący komputer kwantowy wykorzystuje przepływ sparowanych elektronów - zwanych „parami Coopera” - przez bezoporowy obwód jako kubit. Nadprzewodnik jest czymś wyjątkowym, ponieważ poniżej określonej temperatury opór zanika - mówi William Oliver, profesor nadzwyczajny na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki MIT. Inżynierowie Olivera używają kubitów złożonych z nadprzewodzących obwodów aluminiowych schłodzonych do zera absolutnego.

Innym rozwiązaniem problemu manipulowania kubitami przy jednoczesnej ochronie ich przed dekoherencją jest komputer kwantowy z pułapkami jonowymi, który wykorzystuje pojedyncze atomy - i ich naturalne zachowanie - jako kubity. Według Chiaveriniego, atomy tworzą prostsze kubity niż obwody przechłodzone. Same jony są utrzymywane na miejscu poprzez przykładanie napięcia do układu elektrod na chipie.

Tak więc, chociaż same kubity są proste, dostrojenie systemu, który je otacza, jest ogromnym wyzwaniem. Chiaverini zauważa, że wyzwania inżynieryjne, przed którymi stoją uwięzione jony kwantowe, generalnie odnoszą się raczej do sterowania kubitem niż do zapobiegania dekoherencji; odwrotna sytuacja dotyczy komputerów kwantowych opartych na nadprzewodnikach. Oczywiście, istnieje mnóstwo innych systemów fizycznych, które są badane pod kątem ich wykonalności jako komputerów kwantowych.