Co to jest quantum computing?


Technologia quantum computing została opracowana na początku lat 80. XX wieku przez naukowców, takich jak Paul Benioff, Richard Feynman i Yuri Manin. Jej celem jest wykorzystanie zachowań obiektów kwantowych (w tym fotonów, które nie są atomami cząstek subatomowych) do rozwiązywania niektórych problemów szybciej i w prostszy sposób niż mogą to robić klasyczne komputery czy nawet superkomputery.

AI and machine learning dedicated servers OVHcloud

Co to jest quantum computing i czym różni się od klasycznych systemów komputerowych?

Quantum computing to wschodząca technologia, która wykorzystuje unikalną naturę królestwa kwantowego - rozpatrywanego na poziomie atomów i cząstek subatomowych - do rozwiązywania złożonych problemów. Teoretycznie, komputery kwantowe mogą znacznie szybciej niż komputery klasyczne rozwiązywać złożone problemy związane na przykład z łamaniem szyfrów kryptograficznych czy zadaniami optymalizacyjnymi. Obecna technologia nie jest jednak jeszcze wystarczająco dojrzała.

Komputery kwantowe wykorzystują właściwości cząstek elementarnych, takich jak atomy, elektrony lub fotony z kubitami. Ich szczególną cechą jest możliwość zarządzania stanami poprzez superpozycję 0 i 1. Połączone razem, pozwalają nakładać wiele wartości.

Jak działa komputer kwantowy w odróżnieniu od klasycznego komputera?

Zamiast korzystać z binarnego systemu zer i jedynek (bitów) stosowanego w klasycznym computingu, quantum computing wykorzystuje kubity, których stan w dowolnym momencie może być reprezentowany przez liczbę zespoloną zwaną amplitudą. Liczba ta opisuje prawdopodobieństwo uzyskania 0 lub 1 podczas odczytywania stanu kubitu. Zgodnie z aktualną wiedzą złożoność ta może sprawić, że komputery kwantowe - szczególnie duże, z wieloma tysiącami lub milionami kubitów, a nawet więcej - będą lepiej rozwiązywać trudne problemy.

Jakie są potencjalne zalety quantum computingu? Co to jest kubit?

Kubit może być dowolnym układem kwantowomechanicznym, który ma dwa różne i możliwe do skontrolowania stany kwantowe, takie jak polaryzacja fotonu światła, poziom energii atomu lub spin elektronu. Ponieważ kubity mogą istnieć w większej liczbie stanów niż standardowe bity, komputer kwantowy może obsłużyć znacznie więcej informacji na kubit niż klasyczny komputer na bit. Na przykład, podczas gdy 1024 bity zapewniają 128 bajtów RAM, ta sama ilość danych może być przechowywana przy użyciu zaledwie 10 kubitów. Komputer kwantowy posiadający 1000 kubitów może zarządzać 21 000 różnych liczb.

Do czego mogą służyć komputery kwantowe?

Aktualnie nie możemy spodziewać się, że komputery kwantowe zastąpią klasyczne komputery czy superkomputery. Mogą one lepiej wykonywać niektóre zadania obliczeniowe, ale będą wyglądać i działać zupełnie inaczej niż urządzenia, których używamy dzisiaj. Do rozwiązywania wielu problemów najlepszą opcją nadal pozostaną konwencjonalne komputery. Komputery kwantowe mogą natomiast sprawdzić się w przypadku niektórych obliczeń, takich jak:

Kryptografia

Algorytm faktoryzacji liczb całkowitych opracowany przez Petera Shora w 1994 roku jest kwantowym algorytmem służącym do identyfikacji czynników pierwszych dowolnej liczby całkowitej. Jest to problem, którego klasyczne komputery nie są w stanie rozwiązać, jeśli mają do czynienia z dużym liczbami całkowitymi. Systemy kryptograficzne wykorzystują obecnie tę trudność do tworzenia kluczy publicznych służących do szyfrowania danych e-maili, transakcji finansowych online i innych bezpiecznych metod komunikacji, takich jak VPN i SSH. Klucz publiczny jest iloczynem dwóch bardzo dużych liczb pierwszych, znanych tylko wybranemu odbiorcy. Teoretycznie nikt inny nie potrafiłby wykonać niezbędnych kalkulacji, aby odszyfrować wiadomość.

Algorytm Shora pokazuje, że wystarczająco potężne komputery kwantowe mogłyby złamać dzisiejsze systemy kryptograficzne z kluczem publicznym. Ta możliwość przyczyniła się do rozwoju badań nad zapewnieniem większego bezpieczeństwa i prywatności danych przy użyciu kryptografii kwantowej.

Problemy z optymalizacją

Co, poza łamaniem systemów kryptograficznych, jest w stanie zrobić komputer kwantowy? Komputery kwantowe z odpowiednią mocą mogą pomóc w optymalnym rozwiązaniu problemów z dużą liczbą potencjalnych wyników. Na przykład można by je wykorzystać do budowania modeli przewidujących najbardziej prawdopodobne ścieżki cząstek subatomowych w badaniach nad fizyką wysokich energii. Komputery kwantowe mogłyby również rozwiązać tzw. problem komiwojażera, który próbuje znaleźć najkrótszą możliwą drogę między wieloma miejscami docelowymi. Osiągnięcia w zakresie obliczeń kwantowych mogą przynieść wielki postęp w technologii big data.

Machine learning

Dzięki zdolności optymalizacji, komputery kwantowe mogą pomóc w tworzeniu lepszych modeli machine learning i deep learning, przy niższym wskaźniku błędów.

Inne zastosowania

Istnieje wiele innych potencjalnych zastosowań komputerów kwantowych, w tym opracowywanie nowych leków lub optymalizacja finansów. Kluczowym słowem jest tutaj jednak słowo „potencjalnych”. Chociaż istnieją oczywiste zastosowania, w przypadku których komputery kwantowe zapewniłyby potężną przewagę nad komputerami klasycznymi, wyzwaniem jest zbudowanie takiego, który będzie miał zdolność skalowania. W obecnym stanie rzeczy komputery kwantowe nie mogą być jeszcze praktycznie wykorzystywane do zadań, które są w stanie rozwiązywać komputery konwencjonalne, nie mówiąc już o zastosowaniach, z którymi dzisiejsze maszyny sobie nie radzą.

Jaki jest obecnie stan zaawansowania quantum computingu?

Istotny postęp w dziedzinie quantum computingu odnotowano w 2019 r., kiedy to ujawniona została praca badawcza wskazująca, że komputer kwantowy firmy Google - Sycamore - osiągnął supremację kwantową. Supremacja kwantowa odnosi się do sytuacji, kiedy komputer kwantowy szybko rozwiązuje problem, którego żaden klasyczny komputer nie byłby w stanie rozwiązać w rozsądnym czasie.

W listopadzie 2021 pojawiła się informacja o opracowaniu 127-kubitowego procesora. Jest to pierwszy przypadek, kiedy urządzenie zawiera ponad 100 kubitów.

Jakie wyzwania wiążą sie z rozwojem komputerów kwantowych?

Największe przeszkody nazywane są szumami kwantowymi i dekoherencją. Kiedy cząstka kwantowa nie jest odizolowana od otaczającego środowiska, każda niepożądana interakcja - nawet czynność pomiarowa - może spowodować jej rozpad na klasyczny bit o prostej wartości 0 lub 1. Szumy i dekoherencja nie pozostają bez konsekwencji: kubity mają bardzo krótki czas życia, obecnie około 100 µs w przypadku kubitów nadprzewodzących. W takim czasie można wykonać tylko kilka bramek kwantowych.

Szum kubitowy i dekoherencja wymagają użycia kodów korekcji błędów kwantowych (z ang. QECC), które łączą kilka fizycznych kubitów w kubity logiczne z wyraźnie niższym wskaźnikiem błędów i dłuższym czasem życia. Koncepcje wykorzystujące QECC zostały już przetestowane w małych laboratoriach, ale ich praktyczne zastosowanie pozostaje wyzwaniem. Po pierwsze, skalowanie liczby kubitów jest skomplikowane, niezależnie od typu. Liczba fizycznych kubitów potrzebnych do utworzenia jednego logicznego kubitu może wynosić nawet tysiąc, a do stworzenia użytecznego uniwersalnego komputera kwantowego potrzeba co najmniej 100 logicznych kubitów. Odpowiada to systemowi 100 000 fizycznych kubitów, a dziś mamy ich tylko około 100.

Quantum computing w zderzeniu z rzeczywistością

Na poziomie kwantowym materia zachowuje się w bardzo niezwykły sposób. Otóż obiekty kwantowe działają jednocześnie jak fale i cząstki. Jednak pomiar obiektu kwantowego powoduje załamanie funkcji falowej, więc obserwator widzi ją jako cząstkę. Obiekty kwantowe mogą również istnieć w wielu stanach jednocześnie (zjawisko to nazywane jest superpozycją) i mogą być splątane z innymi obiektami kwantowymi.

Co to jest splątanie kwantowe? Splątanie kwantowe to zjawisko polegające na tym, że pomiar jednego obiektu wpływa również na obiekt splątany, nawet jeśli obiekty te znajdują się daleko od siebie. Splątane obiekty kwantowe mają stany skorelowane, ale losowe.

Ponieważ zachowania te są trudne do zrozumienia i wyjaśnienia, często opisuje się je w zbyt uproszczony sposób. Na przykład niepoprawne jest stwierdzenie, że kubit to „jednocześnie 0 i 1”. Prawdopodobnie komputery kwantowe nie zawsze też będą lepsze i szybsze od tradycyjnych komputerów - w przypadku niektórych problemów komputery klasyczne nadal będą lepszym rozwiązaniem. Nawet jeśli komputery kwantowe miałyby przewagę, jak np. w łamaniu szyfrowania, daleko nam jeszcze do zbudowania takiego urządzenia.

Co prawda dzisiejsze komputery kwantowe są znacznie bardziej zaawansowane w porównaniu do ich poprzednich wersji, muszą one jednak wykazać się skutecznością w rozwiązywaniu praktycznych problemów.

Jaka jest przyszłość quantum computingu? Wielu naukowców i producentów pracuje nad osiągnięciem nowych kamieni milowych w zakresie obliczeń kwantowych. Wzrasta również tempo szkolenia nowej generacji ekspertów i programistów zajmujących się tą dziedziną. Postępy w quantum computingu prawdopodobnie będą również napędzać popyt na innowacje w takich obszarach, jak cloud storage, eksploracja danych i inne technologie.

OVHcloud i quantum computing

OVHcloud, we współpracy ze start-upami, takimi jak Pasqal i Quandela czy graczami, takimi jak Atos, zaczyna umożliwiać deweloperom dostęp w chmurze do różnych technologii. Planujemy wdrażać wspólnie emulację, symulację i QPU, aby pomóc w budowaniu spójnego europejskiego ekosystemu kwantowego.

OVHcloud wspiera budowę spójnego europejskiego ekosystemu kwantowego
Octave Klaba - założyciel i prezes OVHcloud

OVHcloud, we współpracy z firmą Atos, udostępnia użytkownikom emulator kwantowy Atos jako usługę. Naszym celem jest zwiększenie dostępności technologii emulacji kwantowej dla laboratoriów badawczych, uniwersytetów, start-upów oraz dużych przedsiębiorstw, które chcą projektować oprogramowanie kwantowe i zgłębiać pionierskie zastosowania w obszarze quantum computingu.

Bazując na technologii Atos oraz pracy własnych zespołów zajmujących się sztuczną inteligencją, OVHcloud zaoferuje rozwiązania do obliczeń kwantowych za pośrednictwem notatników Jupyter.

Więcej informacji na ten temat znajdziesz w komunikacie dotyczącym quantum computingu przygotowanym przez Atos i OVHcloud.

Wystąpienie Octave’a Klaby podczas konferencji.

przeznaczony dla szerokiego grona użytkowników końcowych.

PASQAL - dostępny w chmurze.