Wizualizacja trójwymiarowej struktury kandelabrowego komputera kwantowego
Shutterstock / Phonlamai Photo
Jedenaście lat temu rozpoczynałem moją pracę doktorską z fizyki teoretycznej, i szczerze mówiąc, nigdy nie myślałem o komputerach kwantowych ani o pisaniu na ich temat. Tymczasem pracownicy New Scientist bardzo pracowali nad stworzeniem pierwszego na świecie „Przewodnika kupującego komputer kwantowy“ (zawsze byliśmy na fali). Przeglądając go można wywnioskować, jak odmiennym czasem był wtedy – John Martinis na University of California, Santa Barbara otrzymał wzmiankę za pracę nad matrycą zaledwie dziewięciu kubitów, a zaledwie w zeszłym tygodniu otrzymał Nagrodę Nobla z Fizyki. Tymczasem komputery kwantowe zbudowane z neutralnych atomów, które w ostatnich latach zdominowały dziedzinę, nie zostały nawet wspomniane. Spowodowało to moje zastanowienie: jak wyglądałby dzisiaj przewodnik kupującego komputer kwantowy?
Obecnie na całym świecie istnieje około 80 firm produkujących sprzęt do komputerów kwantowych. Jako osoba zajmująca się tematyką komputerów kwantowych, miałem okazję obserwować, jak ta branża rosła, oraz słyszeć wiele prezentacji sprzedażowych. Jeśli myślisz, że trudno jest wybrać między iPhone’em a telefonem z Androidem, spróbuj znaleźć się na liście prasowej kilkudziesięciu startupów zajmujących się komputerami kwantowymi.
Oczywiście, wiele szumu towarzyszy marketingowi, ale niektóre trudności w porównywaniu tych urządzeń i podejść wynikają z faktu, że obecnie nie ma konsensusu co do najlepszego sposobu budowy komputera kwantowego. Na przykład, można zdecydować się na kubity wykonane z superprzewodzących obwodów, ekstremalnie zimnych jonów, światła lub kilku innych opcji. Jak można porównać te maszyny, gdy posiadają one fundamentalnie różne części? Pomaga się skupić na wydajności każdego komputera kwantowego.
Jest to znacząca zmiana względem początków komputerów kwantowych, gdy liderami wśród tych nowoczesnych urządzeń była liczba kubitów – najbardziej podstawowych elementów przetwarzania informacji kwantowej – jaką maszyna posiadała. Kilka zespołów badawczych teraz przekroczyło barierę tysiąca kubitów, a droga ku jeszcze większym liczbom kubitów wydaje się jasniejsza z każdym dniem. Badacze teraz pracują nad wykorzystaniem standardowych technik produkcyjnych, takich jak kubity wykonane z krzemu oraz nawet wykorzystanie sztucznej inteligencji, aby zwiększyć rozmiar swoich komputerów kwantowych – i sprawić, że będą bardziej potężne.
W idealnym świecie, więcej kubitów zawsze oznaczałoby większą moc obliczeniową, ponieważ pozwalałoby to komputerowi kwantowemu radzić sobie z bardziej skomplikowanymi problemami. W rzeczywistym świecie, upewnienie się, że każdy nowy kubit, który dodajesz, nie pogarsza wydajności tych, które już posiadasz, okazało się ogromnym wyzwaniem technicznym. Dlatego nie chodzi tylko o liczbę kubitów, ale także o to, jak dobrze potrafią przechowywać informacje i jak skutecznie „rozmawiają” ze sobą, aby nie spowodować zapędzenia informacji. Komputer kwantowy może posiadać miliony kubitów i być praktycznie bezwartościowy, jeśli te kubity są podatne na błędy wprowadzające błędy do obliczeń.
Ta nieregularność – lub szum – można kwantyfikować za pomocą miar takich jak „wierność bramkowa”, która pokazuje, jak dokładnie można zrobić, że kubit lub para kubitów coś robią, oraz „czas koherencji”, który określa, jak długo kubit potrafi pozostać w stanie kwantowym przydatnym dla ciebie. Ale te miary ponownie wprowadzają nas w szczegóły dotyczące sprzętu komputerów kwantowych. Co irytujące, nawet jeśli te miary są wysokie, zawsze trzeba się martwić o to, jak trudne może okazać się wprowadzanie danych do komputera kwantowego oraz rozpoczęcie obliczeń, a także czy nie napotkasz problemów przy odczycie wyniku końcowego.
Częścią znaczącego wzrostu branży komputerów kwantowych było powstanie firm specjalizujących się w kontroli kubitów i innych częściach komputerów kwantowych, które zajmują się trudnym interfejsem między kwantowymi wnętrznościami tych urządzeń a ich bardzo nietkwantowymi użytkownikami. W prawdziwym przewodniku kupującego komputer kwantowy z 2025 roku konieczne byłoby uwzględnienie wszystkich tych dodatków. Musiałbyś wybrać swoje kubity, ale także system kontroli kubitów oraz mechanizm do korygowania błędów tych kubitów. Mali…
Jeśli miałbym spisać listę życzeń bliskoterminowych, postawiłbym na maszynę, która może wykonać co najmniej milion operacji – w przybliżeniu program komputerowy kwantowy, który ma milion kroków – przy bardzo niskich stopach błędów i jak najwięcej wbudowanej korekcji błędów. John Preskill z California Institute of Technology nazywa to maszyną „megaquop”. W zeszłym roku powiedział mi, że uważa, iż taka maszyna byłaby wystarczająco silna, aby być odporną na usterki lub odporną na błędy i dokonywać naukowo znaczących odkryć. Ale jeszcze nie jesteśmy tam. Obecne komputery kwantowe wykonują dziesiątki tysięcy operacji, a jedynie zademonstrowano korekcję błędów dla zadań stosunkowo niewielkich.
W pewnym sensie dzisiejsze komputery kwantowe znajdują się w erze adolescencji, dojrzewającej w kierunku użyteczności, ale nadal przechodzącej przez trudności wzrostu. Z tego powodu pytanie, które najczęściej zadaję handlowcom komputerów kwantowych w mojej skrzynce odbiorczej, brzmi: „Co tak naprawdę potrafi ten komputer?“
Tutaj nie tylko musimy porównać różne rodzaje komputerów kwantowych, ale także zestawić je z ich zwykłymi odpowiednikami. Sprzęt kwantowy jest kosztowny i trudny do zbudowania, więc kiedy faktycznie stałby się jedyną wykonalną opcją rozwiązania problemu?
Jednym ze sposobów na odpowiedź na to pytanie jest próba zidentyfikowania obliczeń, których zwykłe komputery nie byłyby w stanie ukończyć, o ile miałyby nieskończenie dużo czasu. Potocznie nazywa się to „prymatem kwantowym“, i tak samo jak inżynierów kwantowych, trzyma również w nocy matematyków i teoretyków związanych z rozumowaniem. Istnieje wiele przykładów prymatu kwantowego, ale są one kłopotliwe. Aby miały znaczenie, muszą być praktyczne – musisz być w stanie zbudować maszynę, która je wykona – i być dowodzone, tak abyś mógł być pewny, że sprytny matematyk nie mógłby sprawić, aby konwencjonalny komputer go wykonał.
W 1994 roku fizyk Peter Shor opracował algorytm kwantowego obliczania rozkładania dużych liczb, który mógłby być użyty do łatwego złamania najczęściej stosowanych metod szyfrowania obecnie używanych, na przykład przez światowe banki. Wystarczająco duży komputer kwantowy, który poprawia własne błędy, mógłby praktycznie uruchomić ten algorytm, ale matematycy do tej pory nie byli w stanie rigorystycznie udowodnić, że komputery klasyczne nie mogą faktoryzować dużych liczb tak efektywnie. Najbardziej znaczące twierdzenia o prymacie kwantowym również wpadają w tę kategori…
