W oczekiwaniu na kwantowy cud

Służby specjalne, naukowcy i koncerny internetowe ostrzą sobie zęby na komputery kwantowe firmy D-Wave. Ale czy są one zgodne z szumnymi zapowiedziami producenta? Zdaniem pioniera informatyki kwantowej, w żadnym wypadku!

Jeśli wierzyć na słowo Geordiemu Rose’owi, kolejna informatyczna rewolucja już się rozpoczęła. „Za piętnaście lat będziemy mieli maszyny, które wyprzedzą nas, ludzi, pod każdym względem” – z zapałem wieszczył założyciel D-Wave podczas wykładu w 2013 roku. Komputery kwantowe, takie jak te produkowane przez jego firmę, miałyby tu do odegrania decydującą rolę. Śmiała teza, a Rose nie poprzestał na słowach, lecz przeszedł do czynów. Podczas gdy akademicy wciąż pracują nad miniaturowymi komputerami kwantowymi, D-Wave już od dłuższego czasu oferuje działające superkomputery. To potężne, czarne monolity skrywające układ kwantowy odseparowany od jakichkolwiek wpływów środowiska. Za taką maszynę i jej rzekomo niezmierzoną moc obliczeniową trzeba zapłacić piętnaście milionów dolarów.

W gronie naukowców i inżynierów od lat toczy się zażarta dyskusja o tym, czy magiczne czarne pudła faktycznie robią to, co obiecuje Geordie Rose. Krytycy D-Wave zarzucają firmie naukową ignorancję, absurdalną tajemniczość i utrudnianie prowadzenia badań poprzez agresywną politykę patentową. Ich zdaniem komputerom D-Wave najlepiej wychodzi skłanianie klientów do wykładania kolejnych pieniędzy. Sprzedaż superkomputerów D-Wave trwa już od kilku lat, ale dopiero w grudniu 2015 roku ujawniono wyniki dwuletnich ich testów przeprowadzonych przez NASA i Google’a. Badacze napisali, że w ściśle określonych okolicznościach ściśle określone części układu obliczeniowego pracowały 100 milionów razy szybciej od typowego procesora jednordzeniowego. To musi być komputer kwantowy! – orzekła publika. Wśród ekscytacji powszechnej uwadze uszedł fakt, że spostrzeżenia naukowców dotyczyły bardzo specyficznych warunków, a rzeczywista wydajność jest najwyżej kilkaset razy większa. Przedstawiciele D-Wave skomentowali raport lakonicznym „Sweet!” na Twitterze – równie dobrze mogliby napisać „Zwycięstwo!”.

Cuda mają ograniczenia

David DiVincenzo, dyrektor Instytutu Nanoelektroniki Teoretycznej w Jülich i profesor uniwersytetu technicznego RWTH w Akwizgranie, widzi sprawy nieco inaczej. Według niego zespół Geordiego Rose’a odniósł jedynie zwycięstwo propagandowe: „Moim zdaniem wynalazek D-Wave na pewno nie jest komputerem kwantowym”. DiVincenzo wie, o czym mówi – jest fizykiem teoretycznym i jednym z pionierów informatyki teoretycznej. Jego praca pt. „Topics in Quantum Computing”, opublikowana w 1996 roku, do dziś wyrokuje o tym, jak bardzo kwantowy musi być komputer, żeby można było nazwać go komputerem kwantowym. W opinii DiVincenzo układy D-Wave bez wątpienia mają szczególne właściwości, ale to za mało. Naukowe wyjaśnienie takiej oceny jest skomplikowane. Mówiąc w skrócie, układ obliczeniowy D-Wave wykorzystuje efekty kwantowe, tzw. kwantowe wyżarzanie, do wykonywania określonych zadań. Fizyczne zjawiska tunelowe umożliwiają matematyczne rozwiązywanie problemów optymalizacyjnych „na skróty”. Obliczenia są prowadzone za pomocą bramek złożonych z bitów kwantowych (kubitów), reprezentowanych przez układy scalone, które pod wpływem ekstremalnie niskiej temperatury przechodzą w stan kwantowy. Między niektórymi z kubitów zachodzi splątanie kwantowe. Dzięki zastosowaniu superpozycji możliwe jest jednoczesne przetwarzanie wszystkich kombinacji stanów logicznych (zer i jedynek) w układach bramek.

To tylko kompromis

To odróżnia urządzenie D-Wave od tradycyjnych komputerów i faktycznie upodabnia je do komputera kwantowego. Zdaniem DiVincenzo podstawową cechą komputera kwantowego jest jednak połączenie znacznie większej liczby kubitów w bardziej rozbudowane pamięci i bramki kwantowe: „Dopiero masowe splątanie czyni komputer kwantowy tak szczególnym”. Wydajność komputera kwantowego rośnie wykładniczo wraz z liczbą splątanych kubitów. Problem w tym, że masowe splątanie wciąż pozostaje nieosiągalne. Dotychczas udało się splątać jednocześnie tylko kilkanaście kubitów, i to w warunkach laboratoryjnych. Stany kwantowe nie są dostatecznie stabilne – mówiąc technicznym żargonem: spójne – do uzyskania powiązań o większej skali i prowadzenia bardziej zaawansowanych obliczeń. Nie inaczej jest z komputerem D-Wave: z łącznej liczby 2048 kubitów w układzie aktywna jest zaledwie połowa, a w każdej chwili splątane ze sobą są jedynie grupy ośmiu kubitów. „Projektanci D-Wave zadowolili się mniejszą spójnością kwantową, czym zdecydowanie ułatwili sobie zadanie” – mówi DiVincenzo. „Komputer jest więc wynikiem kompromisu”.

W takim komputerze kwantowym, jaki wyobraża sobie profesor, splątaniu ulegają miliony kubitów. To przekłada się na zupełnie niewyobrażalną mnogość chwilowych stanów pojedynczych układów – dopiero dzięki niej stanie się upragniony obliczeniowy cud. Prawdziwy komputer kwantowy potrafiłby nie tylko rozwiązywać za ich pomocą problemy określonej klasy, ale także, wykorzystując układy wielu uniwersalnych bramek kwantowych, pracowałby jak tradycyjny komputer o ogromnej mocy obliczeniowej, uzyskanej dzięki masowemu przetwarzaniu równoległemu

Dobre strony boomu

Zanim uda się zrealizować te założenia w praktyce, upłynie jeszcze przynajmniej 20 lat – ocenia DiVincenzo. Pod warunkiem że zbudowanie komputera kwantowego nie okaże się niewykonalne – takiej ewentualności nie można wykluczyć. Na razie profesor dostrzega jedną niezaprzeczalną zaletę szumu wokół komputera D-Wave: przyspiesza on rozwiązanie naprawdę palących problemów informatyki kwantowej. Z pieniędzy swoich klientów D-Wave finansuje badania podstawowe, a to ze wszech miar pożądane. Co jeszcze ważniejsze, D-Wave inspiruje ludzkie umysły. Obecne koncepcje techniczne są bardziej zaawansowane niż pomysły na to, jak je wykorzystać. Jeśli za sprawą D-Wave więcej światłych umysłów zajmie się informatyką kwantową, to perspektywy prawdziwego obliczeniowego cudu staną się znacznie bardziej realistyczne.