Komputery kwantowe są coraz bardziej złożone. Jak i kiedy zmienią świat?

Rzadko zdarza się, by szefowie technologicznych megakoncernów za coś przepraszali. Jeszcze rzadziej, żeby z tej okazji organizowali panel dyskusyjny.

Ale Jensen Huang nie miał innego wyjścia. „To pierwsze takie wydarzenie w historii, w której prezes prosi gości, żeby ci mu wytłumaczyli, dlaczego się mylił” – tłumaczył podczas zorganizowanej 20 marca konferencji. Huang, szef technologicznego giganta NVIDIA, dwa miesiące wcześniej spowodował giełdowy zawał. A teraz musiał udobruchać całą branżę.

Poszło o wypowiedź ze styczniowych targów technologicznych Consumer Electronics Show. Podczas wystąpienia – i późniejszej dyskusji z analitykami z Wall Street – Huang stwierdził bowiem, że „bardzo użyteczne, praktyczne komputery kwantowe pojawią się za 15 do 30 lat”. A że jego firma to dziś kluczowy gracz produkujący najlepsze na świecie układy do szkolenia sztucznej inteligencji, jego słów słuchała cała branża.

Giełda zareagowała natychmiast. Akcje firm zajmujących się budową komputerów kwantowych runęły jak zrzucone z urwiska. IonQ – o 39 proc. Rigetti Computing – 45 proc. D-Wave Quantum – 36 proc. „Moja pierwsza reakcja brzmiała: »Nie wiedziałem, że to są spółki publiczne! Jak firma zajmująca się komputerami kwantowymi może być notowana na giełdzie?«” – tłumaczył w marcu szef NVIDII, która… sama zajmuje się pracami nad komputerami kwantowymi.

Ale nie tylko on publicznie powątpiewał w to, czy podobne urządzenia w najbliższej przyszłości będą czymś więcej niż naukową ciekawostką. Mark Zuckerberg, szef Meta, podczas wywiadu z podkasterem Joe Roganem stwierdził, że nie jest co prawda ekspertem od komputerów kwantowych, jednak z tego, co rozumie, „jesteśmy jeszcze daleko od punktu, w którym będą one naprawdę praktycznym paradygmatem”. Winfried Hensinger, dyrektor Sussex Centre for Quantum Technologies, mówił zaś w maju 2023 r. w „Nature”, że „komputery kwantowe są beznadziejne. Nie potrafią niczego użytecznego”. On akurat jest ekspertem; „Nature” przedstawiła go jako jednego z nielicznych ludzi na świecie, który widział na oczy pięć różnych komputerów kwantowych.

W odpowiedzi na te wątpliwości, Alan Baratz, szef firmy D-Wave, jednego z liderów w budowie komputerów kwantowych, stwierdził, że takie spekulacje są „całkowicie błędne”, bo komputery kwantowe będą znajdowały praktyczne zastosowania „nie za 30 lat, nie za 20 lat, nie za 15 lat, ale dziś”.

Kto ma rację? Okazuje się, że być może… wszyscy. Co wydaje się być całkiem na miejscu w przypadku urządzeń opartych na zasadach fizyki kwantowej, pełnej paradoksów, splątań i superpozycji.

Superpozycja kwantowa. Czym jest kubit? 

Zacznijmy jednak od początku, bo komputery kwantowe to temat pełen nieporozumień.

Komputery, które znamy – od smartfonów i laptopów po superkomputery zajmujące wielkie hale – opierają się na bardzo prostej zasadzie: przetwarzają informacje w postaci bitów. Każdy bit to zero albo jedynka, a ich ciągi mogą reprezentować słowa, dźwięki, liczby czy obrazy. Wszystko, co robi komputer, to manipulowanie tymi zerami i jedynkami w odpowiedniej kolejności.

Komputer kwantowy również operuje na zerach i jedynkach – ale robi to zupełnie inaczej. Jego podstawowym elementem nie jest bit, lecz tzw. kubit, który może być jednocześnie i zerem, i jedynką. Wyobraźmy sobie, że klasyczny bit to moneta leżąca na stole – może pokazywać reszkę (0) albo orła (1). Kubit jest jak moneta wirująca w powietrzu: dopóki nie upadnie, jest w stanie „reszko-orła”, co fizycy nazywają superpozycją. To nie poetycka metafora. Kubit nie przechowuje po prostu jednej z dwóch wartości, tylko pewne prawdopodobieństwo wystąpienia obu z nich – i to właśnie pozwala komputerowi kwantowemu przetwarzać wiele możliwych wyników naraz. Współczesne komputery kwantowe realizują obliczenia na kubitach przy użyciu różnych technologii – nikt jeszcze nie wie, która z nich okaże się najlepsza i także to jest częścią technologicznego wyścigu.

Co więcej, dwa kubity mogą być splątane – co oznacza, że zmiana jednego wpływa natychmiast na drugi, nawet jeśli są oddalone. Albert Einstein nazywał to „upiornym oddziaływaniem na odległość”. Splątanie pozwala komputerowi kwantowemu wykonywać skomplikowane operacje, których klasyczny komputer nie byłby w stanie zrealizować w „rozsądnym” czasie. W przypadku niektórych znanych problemów mogą to być setki czy tysiące, a nie miliony czy miliardy lat. Przy czym nasze szacunki opieramy na technikach liczenia, które znamy dzisiaj, a postępy w dziedzinie tworzeniu algorytmów klasycznych i kwantowych sprawiają, że te oszacowania mogą się bardzo zmieniać.

Do czego służą komputery kwantowe

Co to wszystko oznacza w praktyce? Komputer kwantowy nie działa szybciej od klasycznego. On działa zupełnie inaczej, jest do niego tak niepodobny, jak linijka do cyrkla. I tak jak linijka i cyrkiel, komputery klasyczne i kwantowe mają różne zastosowania. Nie będzie kwantowych smartfonów czy laptopów, bo komputery takie, jakie dziś znamy, są po prostu dużo lepsze w obsłudze arkuszy kalkulacyjnych, edytorów tekstu, wyświetlaniu filmów czy odpalaniu gier.

– Komputer kwantowy może wszystko, co komputer klasyczny, ale jego zbudowanie jest niesamowicie trudne. Musimy w nim operować pojedynczymi cząstkami elementarnymi i zmusić kilkaset czy kilka tysięcy z nich, żeby działały dokładnie, idealnie, tak jak chcemy. A potem musimy zmierzyć to i zobaczyć, co wyjdzie. To jest niewyobrażalnie trudne zadanie – tłumaczył w naszym podkaście „Miłego Antropocenu” dr hab. Marcin Pawłowski, profesor Uniwersytetu Gdańskiego, specjalista od kwantowej kryptografii, szef Zespołu Kwantowego Cyberbezpieczeństwa i Komunikacji.

– Gdybym był w stanie zbudować urządzenie o pamięci tak dużej, jak laptop, to mógłby on robić wszystko to, co komputery klasyczne i nie miałby żadnych ograniczeń. Ale nikt nawet nie próbuje iść w tę stronę, dlatego że nawet mały komputer kwantowy będzie już bardzo użyteczny – dodał prof. Pawłowski.

Nawet proste urządzenia dają bowiem ogromną przewagę w konkretnych problemach matematycznych, np. w rozkładaniu dużych liczb na czynniki pierwsze czy w symulowaniu reakcji chemicznych, które klasyczne komputery muszą upraszczać. Przykładowo, słynny algorytm kwantowego wyszukiwania, opracowany w latach 90. przez Lova Grovera, może przeszukać książkę telefoniczną o 100 milionach nazwisk w 10 000 kroków. Zwykły komputer potrzebowałby średnio 50 milionów kroków.

Problemem są jednak same kubity. To niezwykle delikatne jednostki informacji, które łatwo „gubią” swój stan – wystarczy drobny hałas, ciepło czy drganie. Dlatego większość komputerów kwantowych działa w temperaturach bliskich zera absolutnego, otoczona warstwami izolacji. A nawet wtedy kubity psują się raz na tysiąc operacji. Dla porównania – docelowo potrzebna jest niezawodność rzędu jednej pomyłki na miliard. Inżynierowie próbują ten problem obejść: jedni, jak Microsoft, pracują nad nowym typem kubitów (topologicznymi), inni – nad metodami automatycznej korekcji błędów. Ale na razie większość mocy obliczeniowej takich maszyn idzie właśnie na to, żeby same się nie „rozsypały”.

Potrzebujemy miliona kubitów

Nawet na tym wczesnym etapie komputery kwantowe pokazują potencjał w badaniach naukowych – zwłaszcza w modelowaniu procesów chemicznych i fizycznych.

Tradycyjne komputery napotykają trudności przy modelowaniu skomplikowanych reakcji chemicznych, zwłaszcza gdy liczba zaangażowanych elektronów jest duża. Na przykład, symulacja zachowania się atomu helu, posiadającego zaledwie dwa elektrony, jest już wyzwaniem ze względu na ich splątanie kwantowe, generujące dużą liczbę potencjalnych stanów całego układu. W przypadku atomów cięższych, takich jak tul (69 elektronów), zadanie to przekracza możliwości klasycznych komputerów.

Skutkiem tego najskuteczniejsza metoda prowadzenia zaawansowanych badań z pogranicza fizyki i chemii wciąż polega na eksperymentowaniu z dziesiątkami czy setkami możliwych rozwiązań i sprawdzaniu, które działają, a które nie. Ta metoda przynosi efekty, ale jest droga i czasochłonna.

„Nie jesteśmy dziś w stanie przewidzieć zachowania elektronów” – mówił magazynowi „Wired” Christopher Savoie z firmy Zapata. Oznacza to, że prace nad nowymi materiałami czy procesami chemicznymi prowadzimy nieco na ślepo. Zapata porównuje to do sytuacji, w której Airbus budowałby nowe samoloty nie przez modelowanie komputerowe, co jest standardem od dziesięcioleci, a przez budowę małych modeli i rzucanie nimi w powietrze. „Gdybyśmy mogli symulować te procesy w komputerze, drastycznie zmniejszyłaby się liczba eksperymentów, które musimy prowadzić” – stwierdził badacz.

W pewnym sensie w tym kontekście można myśleć o komputerze kwantowym nie jako o urządzeniu do prowadzeniu obliczeń, ale jak o programowalnej cząsteczce. „To system, który zachowuje się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, jak cząsteczka. A stąd do symulowania procesów chemicznych droga jest stosunkowo prosta” – mówiła „Wired” Marissa Giustina z Google.

Technologia nie osiągnęła jeszcze miejsca, w którym to byłoby codziennością. Prace przeprowadzone przez badaczy z ETH Zurich w 2017 r. wskazywały, że symulowanie cząsteczki związku znanego jako FeMoco – stanowiącej kluczowy element procesów chemicznych pozwalających roślinom strączkowym przekształcać atmosferyczny azot w związki niezbędne dla wzrostu, a co za tym idzie stanowiącego klucz do o wiele efektywniejszej produkcji nawozów – wymagałoby komputera kwantowego o milionie fizycznych kubitów. To tysiąc razy więcej niż największe systemy dostępne obecnie, lecz IBM prognozuje, że barierę miliona kubitów może udać się pokonać już za 5 lat. Co więcej, równolegle powstają coraz bardziej zaawansowane algorytmy kwantowe, pozwalające wydajniej wykorzystywać kubity w obliczeniach. Postępy w obu tych obszarach mogą otworzyć drogę do przełomowych odkryć nie tylko w biotechnologii, ale także np. w projektowaniu nowych, efektywniejszych i przyjaźniejszych dla środowiska alternatyw dla baterii litowo-jonowych.

Dzień Q. Komputery kwantowe mogą złamać nasze obecne szyfry

Największa, najbardziej dochodowa i, potencjalnie, najgroźniejsza rewolucja jest jednak tuż za rogiem.

– Najciekawsze w komputerach kwantowych jest to, że chociaż jeszcze nie powstały w formie takiej, w której mogą zrobić coś ciekawego, już mają duży wpływ na świat – stwierdza prof. Pawłowski. – Nie mówię tutaj o książkach science fiction, ale o ustawodawstwie i miliardowych inwestycjach, nie w budowę komputerów, ale w przygotowanie się na to, co nastąpi, kiedy one się pojawią.

Mowa o tzw. Dniu Q. Chwili, w której ktoś, gdzieś opracuje komputer kwantowy zdolny do łamania przytłaczającej większości stosowanych na świecie szyfrów. Bo choć te maszyny w wielu przyziemnych zastosowaniach są ułomne, to akurat do przełamywania naszych obecnych kryptograficznych zabezpieczeń nadają się idealnie.

– Obecnie stosujemy coś, co nazywamy kryptografią asymetryczną. Dawniej, żeby ludzie mogli się porozumiewać w bezpieczny sposób, musieli się najpierw spotkać i wymienić klucze kryptograficzne i dzięki temu, jeżeli nikt inny nie znał tych kluczy, komunikacja była bezpieczna – tłumaczy prof. Pawłowski. – W przypadku komunikacji w internecie, nasze komputery stworzyły razem te klucze na podstawie tzw. klucza publicznego, czyli właśnie kryptografii asymetrycznej. Polega to na tym, że jeden komputer tworzy tzw. klucz prywatny, dzięki któremu drugi będzie mógł mu wysyłać informacje tak, że tylko ten pierwszy będzie to mógł odczytać. Ale komputery kwantowe, znając klucz publiczny, mogą odgadnąć klucz prywatny. Więc w teorii każda komunikacja będzie możliwa do złamania. 

Agencje wywiadowcze na całym świecie są już na to gotowe. Nagrywają każde interesujące je przekazy wysyłane przez internet, wiedząc, że choć dzisiaj są one nie do odszyfrowania, to być może niedługo staną się jawne. Władimir Putin rozmawiał dziś z Xi Jinpingiem? Wyposażone w komputer kwantowy National Security Agency, Secret Intelligence Service czy Agencja Wywiadu w teorii będą mogły odszyfrować ich rozmowę. I nie tylko ją. W „Dniu Q” wszystko będzie mogło stać się jawne: maile, wiadomości na WhatsAppie i Signalu, systemy kontroli lotów, dane medyczne, portfele kryptowalut czy wszystkie elementy globalnego systemu finansowego. Według raportu Global Risk Institute, opublikowanego w grudniu ubiegłego roku, eksperci zgadzają się, że istnieje 34 proc. prawdopodobieństwa, że w ciągu dekady powstaną komputery kwantowe zdolne do poradzenia sobie z którąś z obecnych metod szyfrowania. To byłaby zapowiedź nadejścia „Dnia Q”.

Kryptografia postkwantowa

Wszyscy są jednak tego świadomi, stąd miliardowe inwestycje, które idą w tworzenie bezpiecznych systemów szyfrowania. „Kryptografia postkwantowa” zakłada, że skoro już dziś wiemy, jakimi metodami komputery kwantowe będą próbowały łamać dzisiejsze zabezpieczenia, możemy zawczasu opracować nowe szyfry, które dla kwantowych przybyszy będą poważnymi zagwozdkami. Zamiast najpopularniejszego dziś algorytmu RSA, tworzącego klucze prywatne od 1977 r., zaprojektować nowy, pełen pułapek nie do przejścia dla kwantowych podsłuchiwaczy. Kandydatów jest wielu, pośród nich również zupełnie niewinne, „klasyczne” metody ilościowe.

Czasem może wystarczyć odpowiednik dłuższego hasła: procesory kwantowe też wszak potrzebują czasu na wykonanie swoich obliczeń, jeśli więc zada im się odpowiednio trudne zadanie, można stworzyć system, którego złamanie będzie w praktyce niemożliwe. Amerykańska National Security Agency regularnie publikuje swoje własne oszacowania, jak długi musi być klucz w określonym algorytmie szyfrującym, aby pozostał odporny na „ataki kwantowe”. Dla wygody podają osobno wyniki dla treści „Secret” i „Top Secret” – dla popularnego szyfru symetrycznego AES poziom bezpieczeństwa „Top Secret” osiąga się po prostu poprzez dwukrotnie dłuższy klucz szyfrujący. Wyścig zbrojeń pomiędzy tymi, którzy chcą podsłuchiwać, i tymi, którzy nie chcą być podsłuchiwani, trwa.

Kiedy przejdziemy do nowego, kwantowego świata? Tego nie wie nikt. Może być tak, jak prognozował Huang, i realne, masowe zastosowania komputerów kwantowych pojawią się dopiero w drugiej połowie wieku. Mogą nadejść za 5 lat. Nie można też całkowicie wykluczyć – mało prawdopodobnej – możliwości, że techniczne problemy z budową komputerów kwantowych napotkają ścianę, której długo nie będzie się dało przebić.

Przewaga kwantowa

W 2019 r. Google ogłosiło tzw. przewagę kwantową – jego maszyna wykonała obliczenie, z którym, jak twierdzili badacze, klasyczny superkomputer musiałby się zmagać 10 tys. lat. Zostało to jednak szybko obalone, a już trzy lata później Feng Pan i jego współpracownicy z Chińskiej Akademii Nauk opublikowali szczegółowy przepis na to, jak wykonać dokładnie te same obliczenia w 15 godzin, i to bez dostępu do najlepszych superkomputerów. Niemal wszyscy wielcy świata technologii obstawiają jednak, że przełom jest za rogiem. W 2022 r. w firmy zajmujące się komputerami kwantowymi wpompowano 1,8 mld dolarów. Boston Consulting Group szacuje, że już w 2030 r. rynek komputerów kwantowych będzie wart przeszło 50 mld, jeśli uda się wcześniej rozwiązać kluczowe problemy, zwłaszcza te związane z korekcją błędów.

Co to oznacza dla naszej przyszłości? Nie doczekamy się z dnia na dzień superinteligentnej sztucznej inteligencji, choć być może jej szkolenie oparte na algorytmach kwantowych będzie tańsze i szybsze. Nie będzie latających samochodów czy robotów-służących. Ale wiele aspektów naszego świata – od tempa badań naukowych po sposoby, w jakie chronimy własne, poufne informacje – zmieni się niemal niezauważalnie.

Budowa praktycznych komputerów kwantowych, łączących w sobie odkrycia ponad wieku fizyki i niemal stulecia informatyki, jest wyzwaniem na miarę kolonizacji Marsa. W przeciwieństwie do tej ostatniej, jest na kursie, by osiągnąć swoje cele w ciągu kilkunastu, może kilkudziesięciu lat. I choć komputery kwantowe nie teleportują nas od razu do świata rodem ze „Star Treka” czy „Jetsonów”, to mogą przeobrazić nasze społeczeństwo, gospodarkę, politykę czy życie prywatne w trudny do przewidzenia sposób. Nawet dla komputerów kwantowych.