To niemal pewne, że komputery kwantowe będą kolejną rewolucją po AI. Serwis Android.com.pl jako jedyny w Polsce miał okazję porozmawiać z dr Anne Matsuurą, dyrektorką ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs.
Międzynarodowa specjalistka i znana badaczka wprowadza nas w swój świat, wyjaśnia podstawy, opowiada, gdzie jesteśmy dziś, oraz spogląda z nami w przyszłość komputerów kwantowych.
Spis treści
Komputery kwantowe dla początkujących
Choć świat zachwyca się dziś sztuczną inteligencją, na horyzoncie jawi się już kolejna technologia, która może całkowicie odmienić świat, jaki znamy. Jeśli komputery kwantowe kojarzycie głównie z filmów sci-fi, gier lub innych dzieł kultury – nie ma powodów do obaw.
Choć badania w tej dziedzinie zaprzątają głowy najtęższych umysłów świata, to na podstawowym poziome każdy może zrozumieć, czemu komputery kwantowe są tak nęcące dla naukowców.
Mówiąc najogólniej, obliczenia kwantowe znacząco różnią się od tradycyjnych obliczeń, które wykonują tranzystory umieszczane obecnie w komputerach, laptopach czy smartfonach.
Istnieje fundamentalna różnica między tymi podejściami. Kluczowym terminem dla obliczeń kwantowych jest superpozycja stanów. W klasycznych komponentach sprawa jest prosta – tranzystor zachowuje wartość 0 albo 1. Wyobraźmy sobie złotówkę, która, leżąc na stole, pokazuje nam orła albo reszkę.
W przypadku podstawowej jednostki w komputerach kwantowych – bitów kwantowych, czyli kubitów – można wyobrazić sobie, że tę samą monetę stawiamy na rancie i zaczynamy nią kręcić. Moneta jest jakby w dwóch stanach jednocześnie – czasem na ułamek sekundy widzimy orła, potem przechodzi on w reszkę i tak dalej. Tak samo kubit reprezentuje jednocześnie 0 oraz 1. To esencja obliczeń kwantowych.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Co jasne, stan „gdzieś pomiędzy 0 i 1” mocno burzy pewną podstawę, na której budowane są komputery i oprogramowanie. A to jeszcze nie koniec łamania barier.
Niezwykle ważne jest też splątanie kwantowe. Pojedynczy kubit łączymy z drugim kubitem, który także jest w superpozycji. W tej sytuacji – splątaniu – mamy więc pojedynczą jednostkę, która reprezentuje sobą cztery różne stany jednocześnie. Im więcej kubitów dodajemy, tym więcej jednoczesnych stanów i tym więcej obliczeń, jakie możemy wykonać. Mamy więc dwa kubity do kwadratu, do sześcianu, dwa kubity do potęgi n-tej.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Co ważne, moc obliczeniowa nie rośnie tu jednak liniowo, tylko wykładniczo. I tu właśnie kryje się ogromna moc obliczeń kwantowych.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Rewolucja kwantowa tu i teraz. Gdzie jesteśmy w 2024 roku?
Geometrycznie rosnący potencjał kwantów może rozpalać wyobraźnię, ale czy na tę chwilę rewolucja kwantowa nie pozostaje w strefie marzeń? Niekoniecznie, bo choć kwantowe komputery nie są produkowane masowo, ani nawet możliwe do kupienia, to naukowcy dość aktywnie popychają do przodu tę dziedzinę i wytwarzają nowe jednostki. Nie powinno też dziwić, że Intel jest jedną z najbardziej aktywnych w tym aspekcie firm.
Obecnie technologia kwantowa dopiero raczkuje. Zdarza się więc, że „hype” na quantum potrafi nieco wyprzedzić to, co faktycznie możemy dziś osiągnąć. Zdecydowanie nie stoimy jednak w miejscu, a czynimy postępy.
W połowie 2023 roku Intel zaprezentował nasz nowy czip badawczy – Intel Tunnel Falls. Został niejako „wydany na świat” i obecnie mają do niego dostęp nasi bliscy współpracownicy. To naukowcy, członkowie laboratoriów fizyki, którzy testują i charakteryzują nasz układ.
Tunnel Falls reprezentuje nasze podejście do kubitów – silicon quantum dot. Intel tworzy bity kwantowe nieco inaczej niż inne zespoły czy firmy zajmujące się tworzeniem jednostek kwantowych. Wykorzystujemy do tego zaplecze, które już mamy dzięki doświadczeniu w dziedzinie fabrykacji półprzewodników.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Jak mówi nam specjalistka, Intel jest przekonany, że to Silicon Quantum Dot stanie się kluczem otwierającym jedne z najważniejszych drzwi. By systemy kwantowe stały się efektywne, a potem komercyjne, liczba dostępnych w nich kubitów musi zostać eskalowana w górę.
Nie zmienia to faktu, że Tunnel Falls nadal jest jednostką badawczą, podobnie jak komputery kwantowe innych firm ścigających się w kwantowym wyścigu.
Na nic komputery kwantowe, jeśli nie ma programistów
Nawet najbardziej idealne narzędzie jest niczym bez odpowiedniej obsługi. Ogrom pracy związany z wytworzeniem i utrzymaniem kubitów to jedna odnoga technologii kwantowych, ale drugą stroną medalu jest wykorzystanie ich potencjału w odpowiedni sposób.
To jest akurat bezpośrednią ekspertyzą naszej rozmówczyni, której zespół zajmuje się oprogramowaniem niezbędnym dla obliczeń kwantowych. Konkretnie chodzi tu o wydany w marcu Intel Quantum Software Development Kit 1.1.
Koderzy dobrze znają skrót „SDK”, lecz wprowadzając osoby niezaznajomione: w dużym skrócie to zestaw narzędzi dla programistów, który umożliwia im tworzenie aplikacji w danym środowisku czy na danej platformie.
Architektura programistyczna i software do obsługi komputerów kwantowych jest równie ważny, jak same jednostki do obliczeń. […] Intel Quantum SDK to nie tylko same narzędzia, ale też technologie optymalizujące i upraszczające algorytmy kwantowe. Jest to także pełny komputer kwantowy, którego działanie jest symulowane dla deweloperów. Oznacza to, że już teraz mogą się oni uczyć najlepszych sposobów tworzenia algorytmów opartych na technologii kwantowej, jeszcze bez dostępu do samego urządzenia.
Jeśli bowiem będziemy mieli już dostęp do komputerów kwantowych, ale jedynie nieliczni będą umieli z nich skorzystać i na nich tworzyć, to nawet najlepszy sprzęt nie będzie przesadnie użyteczny. Chodzi więc o jednoczesne rozwijanie hardware’u i nauczanie tworzenia software’u kwantowego. Dzięki temu możemy już teraz odkrywać kluczowe zastosowania tej technologii oraz badać, jakie jej aspekty będą miały największą wartość dla jej odbiorców.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Kłopotliwe kubity – czemu komputery kwantowe nie są już na rynku?
W obecnych czasach za postępem technologicznym trudno jest nadążyć, a jednak technologia kwantowa zmaga się z pewną barierą, u której podstaw leży sam kubit. Podstawowy budulec komputerów kwantowych jest bowiem przełomowy, ale obecnie pozostaje dość niesforny.
W tej chwili zmagamy się z problemem kubitów, które są bardzo podatne na zakłócenia i mają krótki czas życia. Dlaczego komputery kwantowe trzymane są w kosmicznie niskich temperaturach? Bo ciepło może wprowadzać zakłócenia do systemu. Nie mówiąc już o tym, że sam fakt, że obserwujemy kubit, może wpływać na jego działanie. Kubity są niezwykle wrażliwe.
Wrażliwość ta sprawia, że kubity potrafią tracić część zapamiętywanych danych. To z kolei zmusza nas do zapewnienia większej ich liczby, niż faktycznie jest potrzebna do wykonania danego algorytmu kwantowego.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Jak mówi ekspertka firm Intel, do wykonania 10-kubitowego algorytmu nie potrzeba 10 kubitów, a nawet 10 razy tyle bitów kwantowych. Zapotrzebowanie na kubity rośnie więc tak samo geometrycznie, jak ich moc obliczeniowa. Jeden kubit logiczny – czyli taki, który jesteśmy w stanie praktycznie wykorzystać – wymaga do działania 10 kubitów. Drugi kubit logiczny także będzie wymagał tej liczby i tak dalej. Zapotrzebowanie algorytmów 100-kubitowych będzie więc przeogromne.
Cała branża dąży obecnie do stworzenia bardziej stabilnych, odpornych kubitów. Jednocześnie w pocie czoła pracujemy nad algorytmami Quantum Error Correction (QEC), które będą w stanie wyłapać i skorygować błędy powstające w kubitach. Istniejące komputery kwantowe nie mają takiej korekty, ale to obecnie jedna z najgorętszych gałęzi badań kwantowych.
Bardziej stabilne kubity, ale też algorytmy korygujące błędy, pomogą nam z czasem zredukować wspomniany „naddatek”, choć najpewniej nadal trudno będzie nam osiągać proporcję 1:1.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Kiedy nastanie rewolucja kwantowa i komu pomogą komputery kwantowe?
Tu i teraz urządzenia kwantowe są w stanie wykonywać dość wąsko zakrojone algorytmy kwantowe. Można o nich myśleć jak o małych „wersjach demonstracyjnych” przyszłych zastosowań obliczeń kwantowych. Ile czasu trzeba będzie czekać na faktyczne owoce rewolucji kwantowej? Nasza rozmówczyni pozostaje tu realistką.
Nadal uważamy, że od komercyjnych technologii kwantowych dzieli nas 10–15 lat. Właśnie dlatego programiści powinni już teraz przygotowywać się do wejścia w kwantowy świat. Płynne wejście w tę technologię skróci bowiem czas niezbędny do pierwszych wdrożeń rozwiązań kwantowych.
Stworzenie pierwszego praktycznego komputera kwantowego o wielkości komercyjnej, a nie badawczej, jest niezbędne do tego, abyśmy mogli tworzyć rozwiązania, które nie były możliwe w przypadku tradycyjnych systemów tranzystorowych. Ten przełom w końcu jednak nastąpi. To nieuniknione.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Skoro jest to tylko kwestia czasu, już teraz możemy się zastanawiać, kto najbardziej skorzysta na wprowadzeniu obliczeń kwantowych do biznesu. Wielokubitowe jednostki komercyjne mają zdaniem dr Matsuury odmienić wiele branży.
Komputery kwantowe będą kluczowe m.in. w drobiazgowej symulacji procesów występujących w naturze. Co ciekawe, będą one również wykorzystywane do symulowania innych systemów kwantowych. Co to oznacza?
W dziedzinie chemii będzie można opracowywać m.in. nowe, bardziej wydajne katalizatory reakcji, dzięki czemu firmy medyczne będą mogły tworzyć nowe leki, szczepionki czy terapie chorób.
Inne firmy mogą być żywo zainteresowane opracowaniem nowych materiałów. Przykład? Niezwykle wytrzymałe i lekkie poszycie, które może okazać się kluczowe dla branży kosmicznej. Możliwe stanie się także opracowywanie elektroniki o odmiennych właściwościach czy nowych materiałów dla półprzewodników.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Niestety, wydaje się, że rozchwytywana dziś generatywna sztuczna inteligencja i obliczenia kwantowe nie są zbyt dobraną parą. Jak tłumaczy nam specjalistka Intel Labs, największym wyzwaniem jest tu kodowanie danych. Nie mamy dziś sposobów, by efektywnie przekazać dane treningowe dla modeli AI do systemu kwantowego.
Tak, obliczenia kwantowe będą szybsze, ale cały zysk czasowy będziemy tracić „na wejściu”, przez rozciągający się proces kodowania informacji. Obecnie jest to blokadą, która odwodzi potencjalnych użytkowników od wykorzystania obliczeń kwantowych na dużych modelach AI.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Owa „bariera wejścia” nie występuje jednak wszędzie. AI wykorzystywana jest też na przykład przy poszukiwaniu nowych typów leków. W tym przypadku dane od początku są „przyjazne” dla systemów kwantowych, bo mogą występować w postaci kwantowych funkcjach falowych (quantum wave functions).
Czy komputery kwantowe złamią nasze hasła?
Nie sposób dziś mówić o nowych technologiach, jedynie się nimi zachwycając, bo niemal każda wprowadzana nowość potrafi mieć swoje ciemniejsze strony. Choć obliczenia kwantowe są we wczesnym stadium, a pojedyncze jednostki stoją na razie jedynie w laboratoriach badawczych, to niektórzy już zaczynają się bać, jak tego typu technologia może negatywnie wpłynąć na społeczeństwo. Co na to dr Matsuura?
Na portalach internetowych często straszy się zagrożeniem związanym z cyberbezpieczeństwem – „komputery kwantowe będą tak szybkie, że złamią zabezpieczenia, jakich się dziś używa, m.in. kody kryptograficzne”.
Jak wspominałam, obecnie nie mamy dostępu do wielkoskalowych komputerów kwantowych. W tym celu mogłaby być użyta dopiero znacznie większa moc obliczeniowa. Upłynie jeszcze sporo czasu, zanim dojdziemy do tego poziomu. Upraszczając – łamanie kryptografii będzie potrzebować jeszcze większej liczby kubitów niż inne zastosowania, o których mówiliśmy, jak szukanie nowych leków czy materiałów dla przemysłu.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
To, że zagrożenie jest oddalone w czasie, nie oznacza jednak, że nie istnieje. Choć na komercjalizację systemów quantum przyjdzie nam czekać jeszcze nawet ponad dekadę, to firmy już dziś roztaczają szeroki horyzont także w aspekcie bezpieczeństwa.
Intel już dziś pracuje nad „klasycznymi” procesorami, które będą w stanie oprzeć się algorytmom kwantowym. Nie planujemy ich jednak wypuszczać w najbliższej przyszłości. Z jednej strony rozwijamy same komputery kwantowe, a z drugiej już myślimy, jak zabezpieczać nasze inne produkty przed niepożądanym wpływem. Jeden aspekt karmi tu drugi – tak, abyśmy byli gotowi na odparcie ewentualnych zagrożeń.
Dr Anne Matsuura, dyrektorka ds. Aplikacji Kwantowych i Architektury w Intel Labs dla Android.com.pl
Zdjęcie otwierające: Tim Herman / Intel Corporation
Część odnośników to linki afiliacyjne lub linki do ofert naszych partnerów. Po kliknięciu możesz zapoznać się z ceną i dostępnością wybranego przez nas produktu – nie ponosisz żadnych kosztów, a jednocześnie wspierasz niezależność zespołu redakcyjnego.