Komputery kwantowe to technologia mogąca odmienić oblicze współczesnego świata, rewolucjonizując tempo i sposób dokonywania skomplikowanych obliczeń. Jaka jest zasada komputerów kwantowych? I w jaki sposób możemy wykorzystać komputery kwantowe?
Komputery kwantowe mocno różnią się od tradycyjnych maszyn. Dane w takich komputerach reprezentowane są przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer, a zmiany tego stanu stanowią jednocześnie proces obliczeniowy. Do zaplanowania ewolucji tego stanu w pożądany przez nas sposób potrzebne jest stworzenie odpowiedniego algorytmu – podobnie jak w zwykłej maszynie liczącej, takiej jak chociażby procesor komputera osobistego. Ponieważ jednak mechanika kwantowa rządzi się zupełnie innymi zasadami niż fizyka klasyczna, wszystko działa tu inaczej niż w tradycyjnym komputerze. Jednak mimo skomplikowania całego procesu obliczeniowego i pewnych ograniczeń związanych z wykorzystaniem komputerów kwantowych, stwarzają one zupełnie nowe, ekscytujące możliwości.
Jak działają komputery kwantowe?
Podstawową, najprostszą jednostką informacji w tradycyjnym komputerze jest tak zwany bit (z angielskiego “kawałek”), który może przybierać tylko jedną z dwóch możliwych wartości: zero albo jeden. Na tej podstawie komputer jest w stanie dokonywać wszelkich możliwych obliczeń, posługując się systemem dwójkowym. Komputery kwantowe działają podobnie, z tym że kwantowy bit (kubit) nie będzie musiał mieć wartości zero lub jeden, a podczas dokonywania obliczeń może znajdować się w stanie pośrednim, czyli w tak zwanej superpozycji zera i jedynki. Stanem tym rządzi prawo prawdopodobieństwa, w obliczeniach komputerów kwantowych reprezentowane przez współczynniki alfa i beta. Ponieważ pojedynczy wynik takich obliczeń nie będzie pewny, dopiero dokonanie serii takich operacji i wyliczenie średniej wartości pozwoli na określenie prawidłowego wyniku z dużą dokładnością. Kubit zawiera w sobie dużo więcej informacji niż bit, dlatego jest w stanie wykonywać wiele obliczeń naraz.
Komputery kwantowe – skąd się wzięły?
Pierwsze komputery kwantowe zaczęły powstawać w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Naukowcy szerzej zainteresowali się tym pomysłem, gdy amerykański informatyk i matematyk Peter Shor stworzył algorytm będący w stanie niezwykle szybko rozkładać ogromne liczby na iloczyny liczb pierwszych. Choć każde obliczenia dokonywane przez komputery kwantowe mogłyby zostać wykonane na zwykłym komputerze, pewne problemy są znacznie szybsze w rozwiązywaniu przy pomocy mechaniki kwantowej – chociażby wspomniany wyżej algorytm faktoryzacji Shora. Kilkudziesięciocyfrowa liczba byłaby rozkładana na czynniki pierwsze przy pomocy zwykłego komputera przez dziesiątki lat, a kilkusetcyfrowa – miliardy. Natomiast komputery kwantowe pozwalają na dokonywanie takich obliczeń w o wiele krótszym czasie, dzięki czemu rozwiązywanie tych problemów może przynieść wymierne korzyści. Oczywiście maszyny te mają pewne ograniczenia. Stany kwantowe są nietrwałe, bardzo wrażliwe na nawet najdrobniejsze ingerencje ze strony otoczenia. Problem ten próbuje się obecnie rozwiązać przy pomocy tak zwanych “pułapek magnetycznych” przetrzymujących atomy i pozwalających na sterowanie nimi przy pomocy laserowych impulsów.
Komputery kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w dziedzinach takich jak astrofizyka czy medycyna. Obliczenia dokonywane przez te maszyny wykorzystuje także modelowanie molekularne, czyli symulacja procesów cząsteczkowych i przebiegu zjawisk atomowych w programach komputerowych. Ostatnio przy pomocy procesora kwantowego zasymulowano największą cząsteczkę w historii! Wszystkie zaprojektowane molekularnie cząsteczki można potem zsyntetyzować w laboratoriach, co może zrewolucjonizować produkcję leków, ponieważ komputery kwantowe pomagają znacznie przyspieszyć ten proces. Dzięki nim będziemy mogli dokonywać nowych, niezwykłych odkryć jeszcze szybciej, a rozwój nauki z pewnością znajdzie dla tych maszyn kolejne zastosowania pozwalające na wykorzystanie ich w służbie ludzkości.