Google podobno osiągnął kwantową przewagę. To zwiastun rewolucji, która zmieni naszą cywilizację

Komputer kwantowy w żadnym aspekcie nie przypomina klasycznego komputera. Nawet pryncypia jego architektury są zupełnie odmienne od wszystkiego, co zwykliśmy nazywać komputerem – od kalkulatora aż po akademickie superkomputery. Służą jednak do tego samego: do wykonywania złożonych operacji na liczbach.

Sercem takiego komputera jest układ fizyczny. Programowanie takiego komputera to odnotowanie jego początkowego stanu kwantowego i odpowiednie zaplanowanie jego ewolucji. Ów stan kwantowy to informacja o rzeczonym układzie, pozwalająca przewidzieć prawdopodobieństwa wyników wszystkich pomiarów, jakie można na tym układzie wykonać.

Pomiary dotyczą oczywiście skali kwantowej, a więc przyglądaniu się tak drobnym elementom, jak atomy i cząstki elementarne. Bo przecież sam kwant to, wbrew powszechnemu wyobrażeniu, nie obiekt, a wartość. A konkretniej, najmniejsza wartość, jaką może mieć lub o jaką może się zmienić dana wielkość fizyczna w danym zdarzeniu.

Ów ewolucyjny algorytm, nazywany algorytmem kwantowym, wykorzystuje w swojej koncepcji kwantowe bramki logiczne i rejestry kwantowe. Ten algorytm jest niezbędny, by sprostać wyzwaniom, jakie niesie za sobą mechanika kwantowa.

W klasycznym komputerze informacja reprezentowana jest przez ciąg zer i jedynek, które nazywamy bitami. Sęk w tym, że ich kwantowe odpowiedniki – kubity, czyli najmniejsze i niepodzielne jednostki informacji kwantowej – rządzą się prawami kwantowego świata, a więc nie reprezentują jednego stanu (jedynki i zera), a ich superpozycję (czyli wszystkie stany pośrednie). Te kubity są największą siłą kwantowych komputerów. Ale też jedną z dwóch ich największych słabości.

Za sprawą wspomnianej superpozycji jeden kubit reprezentuje sobą nieporównywalnie więcej informacji niż bit z klasycznego komputera. Oznacza to, że może zostać wykorzystany do wielu równoległych wyliczeń w jednym wyliczeniowym cyklu. Niestety to również oznacza, że operacja na kubitach zwróci wiele różniących się od siebie w niemal losowy sposób wyników. Dopiero seria tych samych obliczeń wyłoni najbardziej prawdopodobny.

Istotna jest też kruchość układu fizycznego, którego stan kwantowy jest wysoce nietrwały. Wystarczy jakakolwiek zmiana temperatury, wibracja, fala elektromagnetyczna czy jakikolwiek inny fizyczny bodziec by nastąpiła dekoherencja. A więc de facto zniszczenie całego komputera poprzez zmianę jego właściwości. Zmiana stanu kwantowego oznacza, że pieczołowicie opracowany algorytm kwantowy przestanie działać.

Komputery kwantowe są więc nie tylko trudne w programowaniu, ale też i ekstremalnie niestabilne – przy czym jest to zupełnie nowy poziom niestabilności niż niezałatany Windows XP na lewych sterownikach. To właśnie dlatego, mimo iż rozmawiamy o kwantowych komputerach od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, nadal z nich nie korzystamy.

Przewaga komputerów kwantowych nad klasycznymi jest więc zarówno oczywista, jak i stricte teoretyczna. Nie umiemy ich jeszcze budować, a raczej tworzyć na tyle złożonych konstrukcji, by to wszystko miało sens. Pracuje nad tym wiele firm, w tym IBM, Intel czy D-Wave. Microsoft nawet ma już kwantowy język programowania Q#.

Dotychczasowe prototypowe komputery kwantowe… działały. I to w zasadzie tyle, co można o nich powiedzieć. Ich nietrwałość i wynikający z niej relatywnie niska złożoność powodowały, że więcej wokół nich teorii niż praktyki. Uczeni zajmujący się tą tematyką stworzyli więc potoczne określenie kwantowej przewagi (jako pierwszy użył jej John Preskill w 2012 r.). Jej osiągnięcie miałoby być równoznaczne z rozwiązaniem matematycznego problemu, który nie byłby w praktyce – z uwagi na niezbędny czas do wyliczeń – osiągalny dla klasycznego komputera. I podobno osiągnął ją jako pierwszy Google.

Piszemy podobno z dwóch powodów. Po pierwsze, wielu sceptyków pesymistycznie patrzy na konieczność probabilistycznego i statystycznego interpretowania wyników wyliczeń z kwantowych komputerów. Mają duże wątpliwości, czy algorytmy wyłuskujące prawidłowe wyliczenia się odpowiednio skalują wraz z liczbą kubitów (a więc złożonością) samego komputera kwantowego. Według udostępnionej w sposób jawny wiedzy: nie wiemy tego. Jeżeli więc Google ujarzmił losowość kwantowej mechaniki, osiągając tym samym kwantową przewagę, uczynił to jakimś sobie znanym sposobem.

Po drugie zaś, sama historia o osiągnięciu wspomnianej przewagi przez Google’a jest nieco tajemnicza. Jako pierwszy napisał o tym Financial Times, donosząc przy okazji, że 54-kubitowy komputer Google’a (a właściwie to 53-kubitowy, bo jeden kubit okazał się niefunkcjonalny) wykonał serię obliczeń matematycznych w 200 sekund, którą tradycyjny superkomputer rozwiązałby w 10 tys. lat. Dziennikarze tego magazynu posłużyli się jednak plikami, jakie zostały umieszczone na serwerach NASA, z którą Google współpracuje. Niedługo po publikacji te dokumenty zniknęły, a Google na razie nie odpowiada na pytania mediów.

Wszystko i nic. Wyliczenia wykonane przez kwantowe procesory Google Sycamore do niczego się nie przydadzą. Komputer miał za zadanie wygenerować zestaw cyfr binarnych i sprawdzić, czy ich rozkład jest faktycznie losowy. Dowiedzieliśmy się więc, że kwantowa przewaga jest realna – i że kwantowe komputery faktycznie zmienią świat. Ale to nastąpi, jak już je ujarzmimy – a do tego jeszcze daleka droga. Zwłaszcza że podejrzewa się, że komputer Google’a działa tylko dlatego, że został stworzony specjalnie z myślą o rozwiązaniu tego konkretnego, zadanego mu problemu. I żadnego innego.

Jednak nawet jeśli uznamy ten cały sceptycyzm, to i tak jest to wydarzenie godne odnotowania. Rozwiązanie w 200 sekund problemu, nad którym najszybszy superkomputer głowiłby się sto stuleci, jest nie lada osiągnięciem. Nietrudno sobie wyobrazić jak taka moc obliczeniowa może zmienić świat.

Niemożliwe do złamania szyfry kryptograficzne stają się zabezpieczeniem lichym. Nauczanie maszynowe i sztuczna inteligencja rozwijałyby się w trudnym do wyobrażenia tempie. Kwantowe komputery mogłyby znacząco pchnąć do przodu rozwój inżynierii, techniki i medycyny przez możliwość tworzenia symulacji uwzględniających poszczególne molekuły w przedmiotach fizycznych. Kto wie, może nawet interfejs Android TV zacząłby na tym działać płynnie. No i nie zapominajmy o kwantowej transmisji danych, pozwalających na komunikację bez zakłóceń na w zasadzie dowolną odległość.

Osiągnięcie Google’a daje więc nadzieje, że ten informatyczny przełom dokona się za naszego życia. Kto wie, może nawet już w przyszłej dekadzie? Na razie jednak to pierwsze kilkaset metrów maratonu. Jest co celebrować, ale droga do zwycięstwa – a więc realnej korzyści – jest jeszcze bardzo daleka.