Mechaniczna twarz podzielona na pół.

Stany Kwantowe Komputera

Komputery kwantowe już działają. Co musimy zrobić, żeby je udoskonalić?

Rodzaje komputerów kwantowych

W świecie klasycznych rozwiązań informatycznych doskonale znanymi i rozumianymi mechanizmami wykonywania operacji logicznych są bramki logiczne, a na jeszcze niższym poziomie – pojedyncze tranzystory, za pomocą których wysterowanie bramek sygnałem 0/1, powoduje pojawienie się poziomu wyjściowego 1/0. Zatem sterowanie i odczyt stanu daje się sprowadzić do najmniejszych jednostek przełączających. Inaczej jest w przypadku procesorów kwantowych. Ich koncepcje poszły w kierunku dwóch nieco odmiennych architektur: tzw. komputerów wyżarzania kwantowego oraz uniwersalnych komputerów kwantowych.

Komputery wyżarzania kwantowego

Pierwsza koncepcja opiera się na wykorzystaniu mechanizmu ustalania się stanów kwantowych w najniższych możliwych stanach energetycznych, co znakomicie działa zwłaszcza przy mechanizmie tunelowania kwantowego, gdy przejście do niższego stanu nie wymaga pokonania wysokiej bariery energetycznej. Jest to grupa komputerów kwantowych nazywanych Annealing Quantum Computers (komputery wyżarzania kwantowego). Algorytm symulowanego wyżarzania, czyli znajdowania rozwiązania optymalnego, korzysta z analogii do procesu wyżarzania w metalurgii – stąd ta osobliwa nazwa algorytmu. Annealing Quantum Computers znakomicie sprawdzają się w rozwiązywaniu zagadnień optymalizacyjnych wszelkich zastosowań, w optymalizacjach adiabatycznych, modelowaniu rozwiązań Hamiltonianów, modelowaniu metodą Monte Carlo i podobnych algorytmów. Nie nadają się jednak do obsługi algorytmu Shora, umożliwiającego rozkład liczby naturalnej na czynniki pierwsze. Algorytm Shora może być wykorzystany do łamania asymetrycznych kluczy kryptograficznych. Klucze symetryczne, według ekspertów, są tu bezpieczne. Jednak upowszechnienie komputerów kwantowych i tak wymusi znaczne zmiany w systemach kryptografii.

Technologia wyżarzania kwantowego jest zatem silnie ukierunkowana na rozwiązywania problemów szczególnej klasy, co jest silnie akcentowane przez zwolenników rozwiązań uniwersalnych jako element deklasujący je. Logika budowy komputerów opartych na wyżarzaniu kwantowym jest bardzo specyficzna i mało uniwersalna. Wielu fizyków i specjalistów IT wątpiło nawet, czy w ogóle mogą one być nazywane komputerami kwantowymi. Komputery kwantowe tej klasy są łatwiejsze w konstruowaniu niż komputery uniwersalne, a osiągają bardzo duże moce obliczeniowe, sięgające aktualnie nawet 2000 kubitów. W ich produkcji specjalizuje się kanadyjska firma D-Wave.

Komputer wyżarzania kwantowego D-Wave 2000Q, dostępny komercyjnie

W zakresie porównania wydajności w 2013 roku w specyficznym benchmarku firmy Google uzyskano przy 500 kubitach wydajność wykonania ponad 11000 razy wyższą niż na innych testowanych platformach. W przypadku specjalistycznych obliczeń optymalizacyjnych wydajność była ponad 100 milionów razy lepsza niż na symulatorze.

Uniwersalne komputery kwantowe

Druga koncepcja procesorów kwantowych jest bliska koncepcji klasycznych rozwiązań, gdzie zapewnione jest sterowanie pojedynczymi kubitami oraz relacjami między nimi. Daje to pełen wachlarz możliwości programistycznych i najszerszy możliwy zakres zastosowań. To grupa komputerów kwantowych nazywanych Universal Quantum Computer. W tej klasie rozwiązań dominującą rolę odgrywa firma IBM, ze swoim komputerem IBM Q, a także kilku innych producentów z sektora IT, w tym Intel i Google. Funkcjonującymi obecnie rozwiązaniami są IBM Q, poprzez IBM Q Experience, a także chmura firmy Rigetti, Forest API.

Elementy uniwersalnego komputera kwantowego firmy IBM

Jak dotąd w uniwersalnych komputerach kwantowych uzyskano moce obliczeniowe na poziomie około 50 kubitów. To bardzo dużo, bowiem na procesorze kwantowym o mocy 56 kubitów uzyskuje się taką wydajność, że aby zasymulować jego funkcjonowanie na superkomputerach, wymagało to wykorzystania niemal do granic możliwości superkomputera IBM Blue Gene/Q Vulcan z Lawrence Livermore National Laboratory. Porównanie 2000 kubitów komputera D-Wave z 50 kubitami IBM Q zdecydowanie nie ma sensu, gdyż są to zupełnie inne technologiczne światy.