Komputer kwantowy kontra komputer w twoim domu. Wyjaśniamy różnice w sposób, który zrozumie nawet 5-latek
Na temat komputerów kwantowych narosło wiele mitów, na przykład ten, że komputery kwantowe są lepsze, od klasycznych maszyn pod każdym względem. Sporej grupie osób wydaje się, że zastąpią one w przyszłości nie tylko superkomputery, ale nawet klasyczne PC. I naprawdę trudno się temu dziwić: samo hasło komputer kwantowy brzmi najzwyczajniej magicznie. Natomiast jedynym sposobem na to, żeby je odczarować, jest wyjaśnienie, czym tak w ogóle jest ten cały komputer kwantowy, jakie ma wady i jakie zalety.
Komputer kwantowy – spis treści
Komputer kwantowy kontra komputer klasyczny
Dlatego też zaczniemy od… klasycznego komputera. Takiego samego, z jakiego czytasz ten tekst – i tak, smartfony też wpasowują się do tej definicji jeśli chodzi o ich zasadę działania. Oczywiście nie będę teraz po kolei opisywał każdego aspektu, związanego z działaniem komputerów a skupię się na głównej różnicy, czyli operacji na bitach. Otóż w tego typu maszynach mamy dwa stany: 0 lub 1, czyli jest sygnał lub sygnału nie ma. A przynajmniej w teorii. W komputerze bit jest reprezentowany przez napięcie elektryczne: wysokie napięcie może oznaczać 1, a niskie 0, chociaż dokładne metody reprezentacji mogą się różnić w zależności od technologii. Zwykle więc jakiś sygnał jednak występuje w obydwu stanach.
Odpowiednie sekwencje tych stanów dają nam sygnał binarny, z którego można układać różne znaki. Przypomina to więc w swoich założeniach alfabet Morse`a. Oczywiście nic, poza większym stopniem skomplikowania nie stałoby na przeszkodzie, aby tych stanów było więcej i uzależnić to od parametrów sygnału. Czysto teoretycznie można by nawet stworzyć nawet komputer, który operowałby na znakach z alfabetu łacińskiego i działałby po polsku. Jednak system binarny okazał się najbardziej efektywny i to jego się trzymamy. Kluczowe jest tutaj jednak to, że stany te są określone.
Kluczową cechą komputerów klasycznych jest ich sekwencyjność. Oznacza to, że operacje są wykonywane krok po kroku, jeden po drugim. Warto jednak dodać, że obecnie stosowane procesory są w stanie wykonywać wiele operacji jednocześnie dzięki wielu rdzeniom i technologii wielowątkowości. Dlatego też to wyśmiewane przez fanów Intela pojęcie: wincyj rdzeniuf dla wielu operacji okazało się kluczowe.
Tym samym klasyczne komputery działają poprzez sekwencyjne przetwarzanie bitów, które reprezentują informacje. Dzięki temu są w stanie wykonywać szeroką gamę zadań, od prostych obliczeń po skomplikowane symulacje i analizy.
Komputer kwantowy – a co z nim?
W przypadku komputerów kwantowych sytuacja się bardzo komplikuje – przynajmniej z perspektywy kogoś, kto lubi się kierować w życiu zdrowym rozsądkiem. Tutaj także stosowane są dwa stany, czyli 0 lub 1. Sęk w tym, że nie są to operacje na bitach a na kubitach, a stany kubitów nie są określone. W praktyce oznacza to, że kubit może mieć zarówno stan 0 lub 1 i to jednocześnie, co nazywamy superpozycją. A przynajmniej tak długo, aż nie dokonamy aktu obserwacji, który sprawia, że superpozycja zostaje zniszczona. I to jest właśnie ten najtrudniejszy element w zrozumieniu tego, czym są komputery kwantowe. Mało kto jest w stanie to zrozumieć, większość osób musi to uznać za dogmat – bez tego nie da się pójść dalej. Jeśli więc jakiś głos w głowie mówi ci, że takie coś nie jest możliwe i to jakieś brednie to… go zignoruj i zaakceptuj to, co napisałem. Sam tak robiłem przez lata i dopiero ten film pomógł mi zrozumieć i zaakceptować, że to możliwe, chociaż nadal nie rozumiem, jak to działa:
No dobrze, ale co nam daje superpozycja? Otóż obecność dwóch stanów w jednym kubicie sprawia, że komputer kwantowy może wykonywać wiele operacji jednocześnie na jednym rdzeniu. To jednak wciąż nie jest koniec. Drugą istotną cechą komputerów kwantowych, o której mówi się już nieco mniej, jest splątanie kwantowe. Ta cecha sprawia, że dwa splątane ze sobą kubity reagują wzajemnie na swoje zmiany, mimo że teoretycznie nie oddziaływają na siebie w żaden widoczny sposób. I tak zmiana w jednym z kubitów natychmiast wpływa na ten, z którym ten jest splątany.
Warto jednak dodać, że w ten sposób nie jest możliwe ani przesyłanie energii, ani informacji. Wynika to z jednego z fundamentalnych praw fizyki, według którego informacja – czyli energia – ani masa – czyli właściwie także energia – nie mogą być szybsze od światła, a efekty splątania kwantowego już szybsze są. Co więcej, próba odczytania stanu jednej ze splątanych cząstek niszczy to połączenie.
I ktoś może słusznie zapytać: skoro splątanie kwantowe nie może nieść informacji, to, w jaki sposób jest ono użyteczne? Dobrym i chyba najłatwiejszym do zrozumienia przykładem jest tu szyfrowanie informacji. W tym przypadku, o ile sama informacja nie jest kwantowa, tak jest zabezpieczona splątaniem kwantowym. W sytuacji, kiedy ktoś próbuje podsłuchać taki sygnał, dokonuje on aktu obserwacji, który niszczy splątanie, co wywołuje przerwanie transmisji. Oczywiście to tylko jedna z możliwości wykorzystania splątania kwantowego, jednak ją najłatwiej zrozumieć.
Komputery kwantowe kontra klasyczność, czyli sekwencyjność kontra równoległość
Jeśli czujesz mętlik w głowie po zapoznaniu się z powyższymi informacjami, to nie martw się: to normalne. Podsumujmy więc jedną, najważniejszą różnicę. Otóż komputery klasyczne działają w sposób sekwencyjny. Oznacza to, że przetwarzają informacje krok po kroku, jeden bit po drugim na każdym wątku procesora. Są przy tym zdolne do wykonywania naprawdę złożonych i trudnych obliczeń sekwencyjnych, jednak nie radzą sobie zbyt dobrze z wieloma obliczeniami jednocześnie.
Z drugiej strony, komputery kwantowe dzięki superpozycji mogą równolegle przetwarzać wiele obliczeń na pojedynczym rdzeniu. Brzmi to więc tak, jakby komputery kwantowe były lepsze, prawda? No cóż, nie do końca. Oczywiście, wykonują one wiele operacji jednocześnie, co może być istotne przy potężnych bazach danych i zadaniach wymagających dużej liczby stosunkowo prostych obliczeń, które można wykonywać jednocześnie. Nie radzą sobie one jednak zbyt dobrze z sekwencyjnymi, złożonymi obliczeniami.
Komputery klasyczne można więc porównać do geniusza matematycznego, który potrafi w bardzo krótkim czasie wykonywać bardzo złożone operacje, natomiast komputery kwantowe do miliona przedszkolaków, które ogarnęły już dodawanie i odejmowanie w zakresie do 10.
I o ile przedszkolaki w tej liczbie o wiele szybciej wykonają milion operacji dodawania i odejmowania w zakresie do 10, niż jeden geniusz matematyczny, tak wszystkie razem nie poradzą sobie nawet z jedną prostą całką. To znaczy, może po długim czasie któreś z nich z nudów narysuje coś, co przypadkiem okaże się prawidłowym wynikiem, ale to potrwa. I porównanie do przedszkolaków wcale nie było tutaj takie na wyrost: komputery kwantowe, podobnie jak dzieci w tym wieku, popełniają błędy. Często bardzo dużo błędów.
Wynika to z faktu, że kubity są bardzo podatne na zakłócenia zewnętrzne, takie jak zmiany temperatury czy pole magnetyczne. No dobrze, może akurat przedszkolaki są podatne na błędy z innych powodów, ale efekt jest ten sam. Częściowym rozwiązaniem tego problemu są metody korekcji błędów i izolacji – chociaż w przypadku tego ostatniego nie działa to najlepiej na małe dzieci, to jednak w komputerach kwantowych częściowo się to sprawdza. Częściowo, ponieważ nie da się całkowicie wyeliminować błędów. Zostawmy jednak małe dzieci, bo robi się nieco niezręcznie i skupmy się na zaletach i wadach komputerów klasycznych, oraz komputerów kwantowych.
Komputery klasyczne: zalety i wady
Zacznijmy od komputerów klasycznych, czyli typowych PC pokroju Komputronik Infinity X510. Początek będzie pewnym podsumowaniem tego, co już wyżej padło, czyli stabilność i niezawodność. Te rzadko – w porównaniu do kwantowych – popełniają błędy. Co więcej, są w stanie wykonywać bardzo skomplikowane operacje wymagające liczenia sekwencyjnego. Kolejnym plusem jest wiek, a więc i dojrzałość technologii. Za tym idzie szeroka gama aplikacji, bogata baza wiedzy dotycząca tego, jak programować takie komputery, a także szereg języków programowania.
Istotne jest również to, że nie wymagają one skomplikowanych warunków do działania i są o wiele prostsze w swoim działaniu, a co za tym idzie, zawsze będą znacznie tańsze. Nawet jeśli w przyszłości korzystanie z komputerów kwantowych stanie się powszechnie dzięki chmurze, to terminalami dostępowymi do nich będą klasyczne maszyny.
Ich wadą jest natomiast to, że nie radzą sobie najlepiej z obliczeniami równoległymi. Nawet jeśli stosujemy superkomputery, które mają tysiące procesorów, to niektóre obliczenia wciąż trwają piekielnie długo, oraz zużywają przy tym olbrzymie ilości energii. Rozwiązaniem tego problemu są komputery kwantowe.
Komputery kwantowe: zalety i wady
Największymi zaletami są tutaj obliczenia równoległe. W ten sposób, szukanie nowych leków, badanie właściwości materiałów, sprawdzanie pogody i inne złożone obliczenia, w których należy uwzględnić masę czynników, stają się znacznie prostsze. Kolejnym plusem są zabezpieczenie kryptograficzne, które z perspektywy obecnego stanu wiedzy jest po prostu nie do złamania. Wadami jest ich złożoność i skomplikowanie, konieczność utrzymania odpowiednich warunków, oraz trudności z sekwencyjnymi obliczeniami. Jakich warunków? Otóż Google przygotowało swego czasu grę, która w dość dosadny sposób tłumaczy, jak wielkie znaczenie ma utrzymanie odpowiedniej temperatury w komputerze kwantowym.
Komputery kwantowe, czy klasyczne? Najlepiej oba
Warto jednak pamiętać, że nie musimy wybierać między jednym a drugim. Można korzystać z komputerów klasycznych i kwantowych: niech współpracują. Komputery klasyczne mogą odpowiadać za obliczenia sekwencyjne, a kwantowe za obliczenia równoległe w ten sposób rekompensując sobie swoje braki. I właśnie takie podejście jest obecnie rozwijane. Tak naprawdę nie musimy wcale wybierać między dwiema technologiami, skoro te idealnie się uzupełniają. Najważniejsze jest jednak to, aby w tym duecie nie występował irański komputer kwantowy.
Efekty kwantowe w komputerach klasycznych
Warto także dodać, że pewne zjawiska kwantowe występują także w komputerach klasycznych. Jednym z najbardziej znanych zjawisk kwantowych w komputerach klasycznych jest tunelowanie. W skali mikroskopowej, elektrony w półprzewodnikach mogą przetunelować przez bariery energetyczne, czyli przeskoczyć tam, gdzie teoretycznie być ich nie powinno. W miarę jak komponenty komputerów stają się coraz mniejsze, efekt tunelowania staje się coraz bardziej zauważalny i może prowadzić do niepożądanych błędów w obwodach. Dlatego też miniaturyzacja komputerów ma pewną granicę, którą będzie bardzo trudno pokonać.