Obliczenia kwantowe — odpowiedzi na wszystkie często zadawane pytania

Wokół tematu komputerów kwantowych narosło wiele dyskusji, często podkreślających ich rewolucyjny potencjał w rozwiązywaniu skomplikowanych zagadnień w różnych sektorach. Trzeba przyznać, że oba te twierdzenia są trafne, ponieważ obliczenia kwantowe stanowią nowatorskie podejście do przetwarzania danych.

Organizacje na całym świecie inwestują znaczne środki w rozwój technologii kwantowych, doceniając ich unikalną zdolność do analizowania szerokiego spektrum możliwości i proponowania nowatorskich rozwiązań trudnych problemów.

Czym są komputery kwantowe?

Obliczenia kwantowe to obszar informatyki, który opiera się na zasadach fizyki kwantowej – nauki badającej naturę i interakcje cząstek atomowych. Fizyka kwantowa opisuje zachowanie materii i energii na poziomie atomowym i subatomowym.

Komputery kwantowe wykorzystują bity kwantowe, zwane kubitami, które mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie. Dzięki tej właściwości, komputery kwantowe mogą rozwiązywać problemy, które dla konwencjonalnych komputerów wymagałyby ogromnych nakładów czasu lub mocy obliczeniowej.

Jak działają komputery kwantowe?

W obliczeniach kwantowych kubity są podstawą tworzenia komputerów kwantowych, których elementy składowe, takie jak fotony i elektrony, służą do wykonywania obliczeń, które są trudne lub niemożliwe do wykonania dla tradycyjnych komputerów. Ponadto, obliczenia kwantowe korzystają z kwantowych bramek logicznych do sterowania kubitami i przeprowadzania obliczeń.

Bramki kwantowe są odpowiednikami bramek logicznych znanych z klasycznych komputerów, ale ich działanie oparte jest na bitach kwantowych. Naukowcy wykorzystują je do tworzenia i manipulowania superpozycjami oraz do splątywania kubitów.

Celem tych działań jest zwiększenie zdolności obliczeniowych i rozwiązanie tych problemów, które dla dzisiejszych komputerów klasycznych są nieosiągalne. Wynika to z binarnego podejścia tych ostatnich, które ograniczają się do dwóch stanów (0 i 1). Komputery kwantowe, w przeciwieństwie do tego, mogą przyjmować oba stany jednocześnie.

Różnice między komputerami kwantowymi i klasycznymi

Obliczenia kwantowe i klasyczne różnią się zarówno mocą obliczeniową, jak i zasadami działania. Obliczenia kwantowe opierają się na zasadach teorii kwantowej, natomiast obliczenia klasyczne bazują na cyfrach binarnych, które mogą przyjmować wartość 0 lub 1. Podstawową jednostką danych w komputerach kwantowych są kubity. Kluczową cechą obliczeń kwantowych jest to, że kubity mogą jednocześnie przyjmować obie wartości (0 i 1), co określa się jako superpozycję. To właśnie ta właściwość pozwala komputerom kwantowym osiągać stany, które są niedostępne dla komputerów klasycznych.

Jeżeli chodzi o moc obliczeniową, klasyczne komputery są znacznie słabsze od komputerów kwantowych, ponieważ ich moc obliczeniowa rośnie w stosunku 1:1 z liczbą dostępnych tranzystorów. W przypadku komputerów kwantowych, moc ta rośnie znacząco wraz ze wzrostem liczby kubitów.

Kolejną różnicą jest sposób implementacji obliczeń. Podczas gdy klasyczne obliczenia realizowane są za pomocą kodu napisanego w językach programowania, takich jak Java, SQL, PHP, C#, C++ czy Python, obliczenia kwantowe łączą kod, matematykę, fizykę i algorytmy w celu osiągnięcia konkretnych celów.

Ze względu na skomplikowaną konstrukcję, wrażliwość i wysokie koszty rozwoju oraz wdrożenia, komputery kwantowe nie są projektowane jako uniwersalne maszyny do powszechnego użytku. Są one raczej dostosowywane do konkretnych zastosowań i przypadków. Klasyczne komputery natomiast są powszechnie dostępne.

Komputery kwantowe cechuje większa podatność na błędy w porównaniu z komputerami klasycznymi. Wymagają one szczególnych warunków pracy, takich jak bardzo niskie temperatury, konieczne do stabilizacji ich pracy. Klasyczne komputery mogą działać w temperaturze pokojowej.

W kwestii zastosowań, obliczenia kwantowe najlepiej sprawdzają się przy złożonych zadaniach, takich jak symulacje, optymalizacja, uczenie maszynowe oraz inne obliczenia wymagające dużych zasobów. Przetwarzanie klasyczne jest wystarczające do zadań takich jak edycja tekstu, obliczenia w arkuszach kalkulacyjnych oraz innych, które nie wymagają znacznej mocy obliczeniowej.

Korzyści z obliczeń kwantowych

Prawidłowe wykorzystanie obliczeń kwantowych może przynieść ogromne korzyści. Poniżej przedstawiamy najważniejsze z nich.

  • Szybkość: Komputery kwantowe mogą przetwarzać dane nawet tysiące razy szybciej niż konwencjonalne komputery.
  • Bezpieczeństwo: Algorytmy kwantowe mogą wzmocnić cyfrowe szyfrowanie i ochronę infrastruktury IT organizacji.
  • Rozwiązywanie złożonych problemów: W 2019 roku Google poinformował, że jego procesor Sycamore, wyposażony w 54 kubity, wykonał obliczenia w 200 sekund, które najszybszemu superkomputerowi na świecie zajęłyby 10 000 lat.
  • Usprawnienie wykrywania oszustw: Instytucje finansowe mogą stosować obliczenia kwantowe do tworzenia bardziej zaawansowanych symulatorów handlu, projektowania efektywnych portfeli inwestycyjnych i poprawy wykrywania oszustw.
  • Badania: Obliczenia kwantowe wspierają naukowców w opracowywaniu doskonalszych modeli i metod rozwiązywania problemów w różnych branżach, takich jak badania nad lekami w opiece zdrowotnej i odkrycia chemiczne w produkcji.

Cechy komputerów kwantowych

Poniżej przedstawiamy kluczowe cechy obliczeń kwantowych.

Superpozycja

Zdolność układów kwantowych do jednoczesnego przebywania w wielu stanach nazywa się superpozycją. Klasyczne komputery mogą znajdować się tylko w jednym stanie w danej chwili (0 lub 1), nie posiadając możliwości superpozycji.

Splątanie

Splątanie ma miejsce, gdy dwa kubity zostają ze sobą połączone, a stan jednego wpływa na stan drugiego, nawet jeśli dzieli je duża odległość. Splątanie jest wykorzystywane do tworzenia sieci kwantowych, umożliwiając komputerom kwantowym wymianę informacji.

Interferencja: W systemach kwantowych interferencja jest naturalnym wynikiem superpozycji. Jest to zjawisko falowe, które pojawia się, gdy cząstki subatomowe wchodzą ze sobą w interakcję. Może mieć charakter konstruktywny, gdy fale wzmacniają się nawzajem, lub destruktywny, gdy wzajemnie się znoszą.

Dekoherencja

Systemy kwantowe są niezwykle delikatne i wrażliwe na otoczenie. Zakłócenia z zewnątrz mogą powodować utratę kwantowych właściwości kubitów, przez co tracą one swoje unikalne zdolności. Na przykład, szum może powodować utratę superpozycji kubitów. Nawet zmiany temperatury mogą wpłynąć na ich wydajność. Z tego powodu niezbędne jest utrzymywanie ich w ściśle kontrolowanym środowisku.

Ograniczenia i wyzwania obliczeń kwantowych

Pomimo wielu zalet, obliczenia kwantowe mają również pewne wady, o których warto wspomnieć.

  • Dekoherencja: W przeciwieństwie do komputerów klasycznych, komputery kwantowe są bardzo wrażliwe na zakłócenia. Zakłócenia mogą spowodować utratę superpozycji, zanim komputer zdąży wykonać swoje zadania.
  • Wymaga specjalistów: Ze względu na swoją złożoność, obliczenia kwantowe wymagają wykwalifikowanych ekspertów.
  • Kwantowa korekcja błędów: Podczas obliczeń mogą pojawiać się błędy, co prowadzi do niepewnych wyników. Konieczne jest stworzenie systemów kwantowych odpornych na zakłócenia zewnętrzne.

Zastosowania komputerów kwantowych w życiu codziennym

# 1. Modelowanie finansowe

Rynek finansowy charakteryzuje się dużą zmiennością i nieprzewidywalnością. Dzięki komputerom kwantowym instytucje finansowe mogą symulować systemy finansowe i wykorzystywać je do modelowania inwestycji na podstawie oczekiwanych zwrotów.

Komputery kwantowe znajdują również zastosowanie w optymalizacji portfela, ograniczaniu ryzyka, zarządzaniu nim i wycenianiu opcji. Podmioty dokonujące transakcji na dużą skalę mogą wykorzystać obliczenia kwantowe do prognozowania rynków i analizy globalnej gospodarki finansowej.

#2. Optymalizacja logistyki

Komputery kwantowe doskonale radzą sobie z przetwarzaniem danych w czasie rzeczywistym, co umożliwia optymalizację logistyki łańcucha dostaw, zarządzanie zapasami oraz transportem. Organizacje muszą ciągle analizować i aktualizować optymalne trasy zarządzania ruchem, operacjami floty, kontrolą lotów, frachtem i dystrybucją. Zadania te są wykonalne przy pomocy komputerów klasycznych.

Jednak w przypadku dużych przedsiębiorstw o skomplikowanej logistyce, proces ten może być bardzo zasobożerny. W takich przypadkach z pomocą przychodzą obliczenia kwantowe.

#3. Lepsze akumulatory

Wraz z rosnącą popularnością pojazdów elektrycznych, producenci wykorzystują moc obliczeń kwantowych do symulowania zachowania cząsteczek i materiałów, a także do zrozumienia zależności między litem a chemią akumulatorów. Celem tych działań jest optymalizacja żywotności baterii.

Poza pojazdami elektrycznymi, obliczenia kwantowe mogą być również wykorzystywane w obszarze magazynowania energii ze źródeł odnawialnych i urządzeniach mobilnych.

#4. Produkcja

Obliczenia kwantowe znajdują szerokie zastosowanie w usprawnianiu różnych aspektów produkcji. W opracowaniu opublikowanym przez IBM Institute for Business Value przypadki zastosowania komputerów kwantowych w produkcji podzielono na cztery kategorie.

Odkrycia

  • Chemia
  • Inżynieria materiałowa
  • Fizyka materii skondensowanej

Projekt

  • Analiza elementów skończonych
  • Analiza strukturalna
  • Hydro/aerodynamika

Kontrola

  • Optymalizacja
  • Uczenie maszynowe
  • Klasyfikacja

Dostarczać

  • Łańcuch dostaw
  • Optymalizacja
  • Modelowanie ryzyka

Przedsiębiorstwa, które wdrożą komputery kwantowe w tych kluczowych obszarach, mogą uzyskać znaczną przewagę, ponieważ pomoże to obniżyć koszty produkcji i przyspieszyć proces produkcyjny.

#5. Rozwój modeli klimatycznych

Obliczenia kwantowe mogą pomóc w rozwiązaniu problemów związanych ze zrównoważonym rozwojem, takich jak zmiany klimatu. Według raportu Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC), konieczne jest znaczne zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych przed 2025 rokiem, aby uniknąć poważnych katastrof klimatycznych. Obliczenia kwantowe mogą być wykorzystane do minimalizowania wpływu człowieka na klimat.

Produkcja amoniaku odpowiada za 1-2% globalnej emisji dwutlenku węgla. Obliczenia kwantowe mogą pomóc w rozwoju alternatywnych źródeł czystej energii, takich jak lepsze akumulatory do pojazdów elektrycznych, energia słoneczna i inne technologie, wspierające proces dekarbonizacji. Ułatwiają również ulepszanie modeli prognozowania klimatu i pogody oraz zarządzania siecią.

#6. Przemysł motoryzacyjny

Przemysł motoryzacyjny szybko wdraża technologie obliczeń kwantowych, co znajduje odzwierciedlenie w partnerstwach między firmami zajmującymi się tą technologią a producentami samochodów, takimi jak D-Wave Systems i Volkswagen, Zapata Computing i Bosch oraz IBM Quantum i Mercedes-Benz.

Producenci samochodów chcą wykorzystać obliczenia kwantowe do optymalizacji tras oraz zwiększenia trwałości materiałów.

#7. Rozwój samolotów

Przedsiębiorstwa z sektora lotniczego mogą wykorzystywać obliczenia kwantowe w wielu procesach, od optymalizacji planów lotów po modelowanie i cyfryzację samolotów. Airbus, firma lotnicza, która projektuje, produkuje i sprzedaje samoloty komercyjne, zainwestowała w IonQ, Q-CTRL i QC Ware, aby wykorzystać technologie kwantowe do opracowywania zaawansowanych modeli samolotów.

#8. Rozwój leków

Obecnie klasyczne komputery są wykorzystywane do przeprowadzania setek milionów symulacji molekularnych, ale istnieją ograniczenia co do wielkości cząsteczek, które można poddać analizie. Obliczenia kwantowe umożliwiają symulację dużych i złożonych cząsteczek, co może usprawnić proces odkrywania leków wspomagany komputerowo (CADD).

Firma McKinsey & Company poinformowała w 2021 roku, że firmy farmaceutyczne przeznaczają około 15% swoich przychodów ze sprzedaży na badania i rozwój, co stanowi ponad 20% wszystkich wydatków na badania i rozwój we wszystkich branżach na świecie.

Inwestycje te pomagają przemysłowi farmaceutycznemu w poszukiwaniu skutecznych metod opracowywania mikro- i makrocząsteczek, które pomagają w leczeniu chorób. Dzięki komputerom kwantowym, naukowcy mogą przyspieszyć proces rozwoju leków z większym prawdopodobieństwem sukcesu.

#9. Uczenie maszynowe

Zdolność komputerów kwantowych do przetwarzania dużych i złożonych zbiorów danych sprawia, że są one obiecującym narzędziem w dziedzinie uczenia maszynowego. Kwantowe uczenie maszynowe to obszar nauki, który łączy algorytmy kwantowe z programami uczenia maszynowego.

Algorytmy kwantowe mogą oferować przyspieszenie wielomianowe lub superwielomianowe (wykładnicze), co znacząco zwiększa szybkość obliczeń. Dzięki kwantowemu uczeniu maszynowemu, analitycy danych mogą opracowywać szybsze i bardziej zaawansowane algorytmy, rozwiązywać złożone wzorce danych oraz rozwijać aplikacje do przetwarzania obrazów i uczenia przez wzmacnianie.

Zasoby edukacyjne: Obliczenia kwantowe

Aby poszerzyć swoją wiedzę, zachęcamy do skorzystania z poniższych zasobów.

# 1. Taniec z Qubitami

Książka Roberta S. Sutora wyjaśnia mechanizmy obliczeń kwantowych oraz ich zastosowania w nauce i sztucznej inteligencji. „Dancing with Qubits” opisuje różnice między komputerami klasycznymi i kwantowymi, prezentując przykłady ich zastosowania w różnych sektorach gospodarki.

Czytelnicy mogą również zapoznać się z takimi pojęciami jak superpozycja, splątanie i interferencja, a także z obwodami i algorytmami kwantowymi. Zasób ten stanowi wprowadzenie do podstaw obliczeń kwantowych.

#2. Obliczenia kwantowe: podejście stosowane

Materiał, autorstwa Jacka D. Hidary, dyrektora generalnego firmy technologicznej SandboxAQ, łączy teorię i praktykę obliczeń kwantowych, włączając w to kod praktyczny.

Książka składa się z trzech części: pierwsza omawia podstawy obliczeń kwantowych i obwodów kwantowych, druga wyjaśnia algorytmy i zawiera kod z przykładami obecnych metod obliczeń kwantowych, a trzecia przedstawia matematyczne podstawy tych obliczeń.

#3. Komputery kwantowe dla każdego

Osoby początkujące, poszukujące kompleksowego wprowadzenia do tematu, uznają ten zasób za szczególnie wartościowy. Materiał obejmuje podstawy obliczeń kwantowych oraz kluczowe elementy, takie jak kubity, splątanie i teleportacja kwantowa.

Autor książki, Chris Bernhardt, upraszcza matematykę stojącą za komputerami kwantowymi i opisuje ich budowę. Dzięki temu materiał jest przystępny również dla osób nieposiadających wcześniejszej wiedzy w tej dziedzinie.

Wnioski

Firmy takie jak Google, IBM i Microsoft przewodzą innowacjom w obszarze obliczeń kwantowych, a uniwersytety również aktywnie uczestniczą w ich rozwoju. Niedostatek specjalistów w tej dziedzinie oraz wysoki koszt budowy komputerów kwantowych spowalniają tempo ich rozwoju. Niewiele organizacji dysponuje zasobami koniecznymi do ich tworzenia.

Chociaż obliczenia kwantowe niosą ze sobą wiele obietnic, ich pełny potencjał nie został jeszcze w pełni wykorzystany. Minie jeszcze kilka lat, zanim staną się tak powszechne jak klasyczne komputery.

Zapraszamy również do zapoznania się z tematem Fog Computing.