Kiedy będziemy mieć komputery kwantowe? Jeszcze nie dziś!

Komputery kwantowe liczą bity kwantowe, zwane Q-bitami lub po prostu kubitami. W przeciwieństwie do zwykłych bitów, które mogą mieć tylko wartość zero lub jeden, kubit może przyjmować wiele wartości jednocześnie. Jak wirująca moneta, na której można zobaczyć nie tylko orła i reszkę, ale wiele jednoczesnych obrazów orła i reszki.

Wykorzystanie kubitów, czyli tych jakby wielowartościowych bitów umożliwiłoby tak szybkie przetwarzanie informacji, że udało by się rozwiązać wszystkie istniejące już, ale i przyszłe problemy, zbyt pracochłonne dla dzisiejszych komputerów, wymagające tysiącleci obliczeń. Komputerów kwantowych na na razie nie ma, ale mają być odpowiednikami naszych dzisiejszych wielkich maszyn liczących. Kiedy?

Komputery, których nie ma

Niestety, dziś nie potrafimy tych kwantowych komputerów zbudować. Budujemy komputery prawie kwantowe. Aby zbudować kwantowe, musielibyśmy rozumieć i umieć wykorzystywać dwa zjawiska fizyczne, których nie znamy jeszcze wystarczająco dobrze. To splątanie oraz tunelowanie kwantowe.

Zjawisko tunelowe to przechodzenie cząstki przez barierę potencjału większą niż energia tej cząstki. Opisywalne tylko w mechanice kwantowej, ale istniejące w naszym świecie, na przykład w diodach tunelowych, które po prostu można kupić w sklepie.

Splątanie kwantowe natomiast to niezwykłe zjawisko polegające na tym, że cząstki mogą pozostawać ze sobą ściśle powiązane – splątane właśnie – nawet gdy dzieli je znaczna odległość. Co więcej cząstki te potrafią natychmiast reagować na zmianę stanu swojego partnera. Sytuacja jest paradoksalna, bo fizycy zgodnie uznają, że informacja nie może być przekazywana z miejsca na miejsce z prędkością większą niż prędkość światła.

Od początku

Jak to wszystko się zaczęło? W 1935 roku Einstein podobno powiedział, że „Księżyc istnieje także wtedy, gdy na niego nie patrzy” i nazywał splątanie „upiornym oddziaływaniem na odległość„. Razem z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem opublikował pracę mającą dowieść, że rodząca się wówczas mechanika kwantowa, nie jest teorią kompletną i trzeba coś dodać.

Naukowcy zaproponowali doświadczenie myślowe znane jako paradoks EPR (od nazwisk autorów). Pokazali w nim matematycznie, że cząstki kwantowe mogą niekiedy być powiązane w pary, a każda z nich może natychmiast reagować na zmianę stanu drugiej, nawet jeśli ten znajduje się w dowolnie dużej odległości.

Proponuję przeczytać ostatnie zdanie powtórnie. Tak przecież jest również w naszym życiu! W prawdziwych parach splatanych – czyli małżeńskich lub partnerskich – jest dokładnie tak samo! Co więcej, w tym samym 1935 roku Erwin Schrödinger, jeden z fundamentalnych twórców mechaniki kwantowej, zainspirowany paradoksem EPR, wprowadził do fizyki ten właśnie termin splątanie i zauważył, że pełna wiedza o całym układzie fizycznym składającym się z dwóch splątanych fotonów nie oznacza jednak pełnej wiedzy o każdym z nich osobno. To znowu dokładnie dotyczy par splątanych ludzi…

Dziwaczne splątanie kwantowe pogodził z teorią dopiero w 1964 roku irlandzki fizyk John Bell. Na pierwszy eksperyment pokazujący zjawisko trzeba było czekać jeszcze 8 lat, a po następnych dziesięciu latach utrzymano splątanie pary fotonów na odległości 10 km. Kolejny uczony, fizyk kwantowy Anton Zeilinger z Uniwersytetu Wiedeńskiego, potwierdził eksperymentalnie splątanie fotonów na odległości 144 kilometrów. Najsłynniejszym eksperymentem tego uczonego była natomiast pierwsza kwantowa teleportacja, ale o tym poczytać możemy sami, bowiem Wydawnictwo Prószyński i S-ka dopiero co wydało jego książkę pt. Od splątania cząstek do kwantowej teleportacji.

Kiedy komputery kwantowe?

Zbudowanie komputera kwantowego wydaje się coraz bardziej realne, choć wciąż jednak odległe. Do tej pory nie udało się zbudować użytecznego, stabilnego i skalowalnego komputera kwantowego. Zbudowano już jednak, nazwijmy to, kwantowe półkomputery. To seria maszyn obliczeniowych firmy D-Wave Systems, w istocie działających na fotonach. Są wielkości niewielkiego pokoju, w którego środku powieszono maleńki procesor w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego.

D-Wave Systems, startup z Burnaby w Kanadzie, sprzedał już swoje maszyny po kilkanaście milionów USD firmom Boeing, Google, IBM, Lockheed Martin, NASA, Los Alamos Lab., Microsoft, USC (University of Southern California) i kilku innym. Producent twierdził, że maszyny te są około 35 tysięcy razy szybsze niż zwykłe komputery. Nowe testy pokazały jednak, że te komputery rozwiązuje duże problemy nie szybciej niż duże zwykłe bitowe, a nie kubitowe maszyny.

Więcej na Refleksy Czasu.

Grafika tytułowa By D-Wave Systems, Inc. – D-Wave Systems, Inc., CC BY 3.0, domena publiczna, przedstawia chip skonstruowany przez D-Wave Systems Inc., zaprojektowany do działania jako 128-kubitowy nadprzewodnikowy adiabatyczny procesor optymalizacji kwantowej.