Kwantowy komputer, czyli maszyna-widmo

Komentuje dr inż. Marcin Bieńkowski, niezależny dziennikarz zajmujący się nauką i techniką
Marcin Bieńkowski

Marcin Bieńkowski

Obecnie dysponujemy olbrzymimi superkomputerami. Maszyny z listy TOP500 potrafią wykonać niewyobrażalną liczbę obliczeń w ciągu sekundy. Czy na pewno potrzebujemy kwantowych komputerów?

Jak najbardziej, ponieważ dzisiejsze maszyny są zbyt wolne, aby były w stanie wykonać skomplikowane obliczenia w czasie rzeczywistym. Komputer kwantowy jest np. zdolny do tego, aby praktycznie w jednym przebiegu znaleźć klucz potrzebny do odszyfrowania dowolnej wiadomości i to niezależnie, czy użyty został 128-, 512-, czy nawet 1024-bitowy klucz szyfrujący. Komputery kwantowe działają na innej zasadzie i znajdują prawdopodobieństwo tego, co zostało użyte w tym

wypadku do zaszyfrowania wiadomości.

Z wykształcenia jest Pan chemikiem. Czy w Pańskiej dziedzinie nauki już w tej chwili widać zapotrzebowanie na maszyny, które byłyby, powiedzmy, setki tysięcy razy bardziej wydajne, niż BlueGene/L?

Tzw. chemia kwantowa zajmująca się m.in. problemami związanymi z budową na poziomie kwantowym cząsteczek chemicznych i ich właściwościami, które odpowiadają za taki, a nie inny przebieg reakcji chemicznej czy np. kształt widm spektroskopowych, od zawsze wykorzystywała superkomputery. Dzisiaj obliczenia bardziej skomplikowanych cząsteczek zajmują najmocniejszym na świecie maszynom od kilku do kilkunastu miesięcy, a o prowadzeniu kalkulacji dla jeszcze bardziej złożonych substancji np. bardzo rozbudowanych enzymów, które mogą unieszkodliwić w sposób wybiórczy kod genetyczny wirusa grypy, nie ma praktycznie mowy.

Obecnie naukowcy muszą zatem wybierać między czasochłonnymi, a mniej lub bardziej przybliżonymi obliczeniami. Komputery kwantowe sprawią, że ten dylemat odejdzie do historii - obliczenia, będą mogły być prowadzone bez dużych przybliżeń, a wynik otrzymywany będzie w rozsądnym czasie.

Czy komputery kwantowe mogą być komputerami ogólnego przeznaczenia czy też zawsze pozostaną maszynami zdolnymi przeprowadzać tylko niektóre rodzaje obliczeń?

Komputer kwantowy jako taki nigdy nie będzie być w stanie maszyną ogólnego przeznaczenia - wynika to z podstawowej zasady jego działania, określania gęstości prawdopodobieństwa. Praktycznie nie da się na nim wykonać w rozsądny sposób zwykłych obliczeń arytmetycznych. Każdy wynik będzie jakąś mniejszą lub większą wartością prawdopodobieństwa. Co nam przyjdzie z tego, że dodając dwa do dwóch, otrzymamy kilkanaście czy kilkadziesiąt prawdopodobnych wyników, które trzeba później zweryfikować i zdecydować, że najbardziej prawdopodobną wartością jest cztery? To nie ma sensu. Dlatego komputery kwantowe będą wykorzystywane do specyficznych obliczeń i będę ściśle współpracowały z tradycyjnymi maszynami. Przypuszczam, że przyszłe superkomputery będą maszynami hybrydowymi - połączeniem zwykłego superkomputera z komputerem kwantowym.

Jeśli za 20 lat rzeczywiście będą już istniały prawdziwe kwantowe komputery, to czy opuszczą one kiedyś instytuty badawcze i wielkie firmy? Czy trafią do naszych domów?

Nie przypuszczam, przynajmniej nie do takich celów, do jakich używamy obecne komputerów. Komputer kwantowy nie nadaje się w ogóle do surfowania po Internecie, czy pisania wypracowania w Wordzie. Być może komputer kwantowy będzie mógł być mózgiem dla maszyn obdarzonych sztuczną inteligencja bazującą na rozmytej logice.

Ale to moim zdaniem zbyt daleka przyszłość, abyśmy mogli coś w tej chwili powiedzieć nie ocierając się o zagadnienia będące domeną literatury science fiction.

Przygotowując artykuł spotkałem się ze stwierdzeniem, że sztuczna inteligencja powstanie tak naprawdę dopiero dzięki rozwojowi komputerów kwantowych. Pańskim zdaniem jest to możliwe czy też kwantowe komputery pozostaną tym, czym są dzisiejsze komputery - maszynami niezdolnymi do samodzielnego myślenia?

To jest to, o czym przed chwilą mówiłem - podstawą logicznego myślenia są tzw. procesy rozmyte, gdzie nie ma konkretnej odpowiedzi na pytanie, ale kilka lub kilkanaście możliwych dróg do realizacji tej odpowiedzi. Odpowiadając na jakieś pytanie kierujemy się właśnie gęstością prawdopodobieństwa, które jest bezpośrednio związane z minimalizacją energii w sieci neuronowej w naszym mózgu. Zasada działania komputerów kwantowych jest podobna, dlatego rzeczywiście sztuczna inteligencja na duże szanse powstać na bazie komputerów kwantowych.

Podczas pokazu komputer poradził sobie z dopasowaniem molekuły do wzorca, rozmieszczeniem gości na przyjęciu weselnym i ułożeniem puzzli. Na razie istnieje więcej pytań niż odpowiedzi. Sami przedstawiciele D-Wave mówią, że ich maszyna może wykonywać tylko pewne rodzaje obliczeń i przyznają, że przy próbach zwiększenia liczby qubitów (czyli mocy), trudno będzie utrzymać ich stany kwantowe. Mimo to obiecują, że do 2008 roku rozbudują ją do około 1000 qubitów (64 bity?) i będzie ona komercyjnie dostępna.

I po co to komu?

"Użytkowników nie obchodzą kwantowe obliczenia, użytkownikom zależy na przyspieszeniu pracy" - mówi Neil Martin, szef D-Wave. "Prace nad komputerem kwantowym ogólnego przeznaczenia to strata czasu. Można wydać setki miliardów dolarów i nie stworzyć takiej maszyny" - dodał. Przyznał, że nie ma ostatecznego dowodu na to, że Orion korzysta z praw mechaniki kwantowej, choć wiele na to wskazuje.

Przyszłość komputerów kwantowych to nie tylko wspomniana już kryptografia. Maszyny takie przydadzą się też w nauce i biznesie. W wielu dziedzinach nauki i gospodarki, od meteorologii, poprzez biometrykę, a na logistyce kończąc potrzebne są olbrzymie moce obliczeniowe. Współczesne komputery nigdy nie będą w stanie dać nam odpowiedzi na niektóre pytania. Zadać je musimy komputerom kwantowym - a na te, jak twierdzi większość uczonych, musimy poczekać jeszcze około 20 lat.

Wykorzystane w tekście fotografie zostały udostęnione przez firmę D-Wave.