Nowe technologie w najbliższych latach zmienią rozwiązania informatyczne

Kilka tygodni temu, 23 października, firma Google oficjalnie ogłosiła, że opracowała prototyp komputera kwantowego, któremu nadała nazwę Sycamore, co po polsku oznacza popularne drzewo jawor. Nie jest to tylko informacja medialna, gdyż równolegle w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature” ukazał się artykuł wyjaśniający szczegóły techniczne tego urządzenia.

Wydaje się więc, że firmie Google udało się zbudować komputer kwantowy zdolny do obliczeń, które są praktycznie nieosiągalne nawet dla największych współczesnych superkomputerów. Udało się pokonać problemy związane z długotrwałym utrzymywaniem spójnych stanów kwantowych przed dłuższy czas, umożliwiający wykonywanie praktycznych obliczeń. Przedstawiciele firmy Google uważają, że jest to skok technologiczny, który zupełnie odmieni naszą cywilizację.

Sycamore dysponuje procesorem, który opierając się na zjawisku nadprzewodnictwa, jest w stanie wykonywać obliczenia, wykorzystując 53 kubity. Praktycznie wykonał on obliczenia, które trwały około 200 sekund – gdyby te same obliczenia miał wykonać najpotężniejszy dzisiaj na świecie superkomputer Summit, zbudowany przez firmę IBM, to zajęłoby mu to ponad 10 tysięcy lat! A przecież superkomputer Summit dysponuje mocą obliczeniową 122 petaflopów, czyli jest w stanie wykonać 122 biliardy obliczeń w ciągu sekundy (1 biliard to milion miliardów, zapisywany jako 1 z 15 zerami). To wartości, jakie nie występują w naszym codziennym życiu, do tej pory stosowane były zazwyczaj w astronomii i dlatego określane są jako „wartości astronomiczne”.

Jak działa komputer kwantowy

Co zatem powoduje, że technologie kwantowe są aż tak skuteczne? Dlaczego mogą one spowodować fundamentalne zmiany w stosowanych do tej pory rozwiązaniach informatycznych?

Odpowiedź na te pytania nie jest prosta i wymaga podstawowej wiedzy z zakresu fizyki kwantowej, z której osiągnięć korzystamy zresztą od kilkudziesięciu lat. Lasery powstały dzięki zastosowaniu zasad optyki kwantowej w urządzeniach generujących światło, bardzo dokładne zegary atomowe umożliwiają nam korzystanie z nawigacji GPS, a montowane coraz częściej na naszych domach ogniwa słoneczne wykorzystują praktycznie kwantowe zjawisko fotoelektryczne.

Świat kwantów jest zupełnie inny niż ten, który otacza nas na co dzień, jest dostępny dla naszych zmysłów, a przez fizyków nazywany jest makroskopowym. W świecie kwantowym zupełnie zawodzi nas intuicja oraz wnioskowanie logiczne znane z codziennego życia. Nieoznaczoność powoduje, że nie możemy jednocześnie określić położenia i prędkości (a dokładniej pędu) cząstki kwantowej, co jest nam doskonale znane z codziennego doświadczenia, kiedy widzimy poruszające się obiekty. Kwanty właściwie się nie poruszają, pojawiają się i znikają, a jedyne, co o nich wiemy, to własności opisane przez równania mechaniki kwantowej. Dlatego zamiast klasycznych wartości położenia i pędu stosujemy w odniesieniu do kwantów opis za pomocą funkcji stanu. Kiedy dokonujemy obserwacji jakiegoś kwantu, to taka funkcja redukuje się do widocznego dla nas efektu. Funkcje stanu poszczególnych kwantów mogą się zatem ujawniać tylko w określonych warunkach obserwacyjnych. Stąd teoretyczna propozycja wykorzystania tej własności w obliczeniach z wykorzystaniem kubita, czyli bitu kwantowego, który może przybierać bardzo różne wartości w zależności od opisującej go funkcji stanu.

Klasyczne komputery przeprowadzają obliczenia za pomocą ciągu zer i jedynek, które reprezentują cyfry bądź litery. Kubit pozwala na reprezentowanie bardzo wielu takich ciągów zer i jedynek jednocześnie, choć zgodnie z prawami kwantowego świata nie są one widoczne dla obserwatora, aż do momentu pomiaru, czyli chęci otrzymania wyniku obliczania. Pozwala to na przeprowadzanie równolegle wielu miliardów obliczeń, w odróżnieniu od szeregowego przetwarzania informacji w klasycznych komputerach. Tutaj tkwi sekret potężnego skoku mocy obliczeniowej komputerów kwantowych. Kubit może zostać wykorzystany do bardzo wielu równoległych obliczeń.

Jednak problem pojawia się wtedy, kiedy chcemy zmusić kubity do pożytecznej pracy obliczeniowej. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe, wystarczą najdrobniejsze drgania termiczne, zakłócenia zewnętrzne oraz wewnętrzne interferencje, które powodują przejście w stan podstawowy i dekoherencję układu. Dlatego układy kwantowych Kubitów najlepiej pracują w bardzo niskiej temperaturze, bliskiej zeru bezwzględnemu (około -273 st. C). Poza tym muszą się znajdować w bardzo wysokiej próżni, a i tak pojawiają się wtedy błędy wynikające ze stochastycznych własności świata kwantów. Specjaliści stosują wtedy specjalne systemy kwantowej korekcji błędów. To bardzo poważne wyzwania inżynierskie, dlatego komputer kwantowy jeszcze długo nie trafi na nasze biurka, ale będzie pracował w szczelnym bunkrze, chłodzony ciekłym helem i otoczony bateriami pomp próżniowych.

Technologie finansowe zagrożone przez komputery kwantowe

Praktyczne obliczenia kwantowe będziemy zatem przeprowadzali, łącząc się z takim komputerem za pomocą sieci i zlecając mu uruchomienie odpowiednich algorytmów. Główny konkurent Google’a w kwantowym wyścigu, firma IBM, właśnie uruchomiła taką usługę dla swojego 20-kubitowego komputera kwantowego Q System One. Jeszcze w tym roku w mieście Poughkeepsie w stanie Nowy Jork ma zostać otwarte „kwantowe” centrum IBM Q Quantum Computation Center. Będzie ono przeznaczone dla wspomagania rynków finansowych, modelowania systemów ekonomicznych i wspierania technologii komputerowych Financial Technology (FinTech). Takie hybrydowe rozwiązanie, czyli łączenie obliczeń w chmurze z dostępem do komputera kwantowego, to z pewnością najbliższa przyszłość praktycznego zastosowania obliczeń kwantowych w zagadnieniach finansowych i ekonomicznych.

Jednak obliczenia kwantowe wymagają zastosowania zupełnie innych metod programowania niż klasyczne komputery binarne. Konieczność kształcenia informatyków znających technologie kwantowe to obecnie bardzo paląca potrzeba na amerykańskim rynku pracy. Dlatego firma Microsoft uruchomiła już platformę Microsoft Quantum Development Kit, która umożliwia programowanie komputerów kwantowych za pomocą języka Microsoft Q#. Zatem oprócz niewątpliwych zysków wynikających z rozwoju technologii obliczeń kwantowych pojawia się już problem związany z kształceniem bądź przekwalifikowaniem obecnych informatyków do pracy z komputerami kwantowymi.

Możliwe zastosowania dla niedawno uzyskanej olbrzymiej mocy kubitów są ogromne. Analiza zbiorów big data uzyska jeszcze mocniejsze narzędzia do badań korelacyjnych, naukowcy zajmujący się analizą cząsteczek biologicznych zostaną wyposażeni w moce obliczeniowe, które zapewne umożliwią opracowanie: nowych leków, metod inżynierii genetycznej i symulowania zachowania złożonych układów biologicznych. Transhumaniści z pewnością zainteresują się możliwością obliczania i symulowania struktur ludzkiego mózgu, aby wykorzystać je w planowanych eksperymentach dotyczących transferu ludzkiego umysłu do kubitowych przestrzeni wirtualnych.

Jednak z pewnością pierwszym polem zastosowań komputerów kwantowych będą rynki finansowe. Dzisiaj stabilność wszystkich transferów finansowych zapewniają algorytmy kryptograficzne Rivesta-Schamira-Adlemana (RSA). Uchodzą one za bezpieczne, a stosowanie coraz dłuższych kluczy kryptograficznych zapewnia stabilną ochronę i bezpieczeństwo transferów finansowych. Podobnie wygląda sytuacja z coraz powszechniejszym użyciem technologii blockchain wykorzystywanej również w generowaniu kryptowalut.

Dzisiejsze algorytmy bezpieczeństwa opierają się na specjalnym kodowaniu z wykorzystaniem liczb pierwszych. Komputer kwantowy jest jakby stworzony do obliczania cyklicznych rozkładów liczb pierwszych i dlatego stanowi realne zagrożenie dla obecnie stosowanych zabezpieczeń. Doskonale zdaje sobie z tego sprawę amerykańska wewnętrzna agencja wywiadowcza NSA (National Security Agency), która pracuje już nad budową komputera kwantowego służącego tylko do łamania kodów kryptograficznych. Co prawda klasyczne formy kryptograficzne są jeszcze bezpieczne: kwantowy komputer Google’a posiada obecnie jedynie 53 kubity, a szacuje się, że do globalnego złamania szyfrów RSA potrzeba ich kilka tysięcy. Jednak patrząc na szybkość rozwoju tych technologii, należy się liczyć z koniecznością opracowania nowych systemów zabezpieczenia rynków finansowych w perspektywie najbliższych kilku lat. Być może następcą klasycznej kryptografii będzie kryptografia kwantowa, ale to już temat na zupełnie osobny artykuł.

Co prawda w tej chwili to amerykańskie korporacje odnoszą zwycięstwo w „kwantowym wyścigu”, ale nie zapominajmy, że w Chinach znajdują się również potężne superkomputery i naukowcy pracujący nad tym zagadnieniem. W sierpniu 2016 r. wybitny chiński fizyk Pan Jian-Wei, kierujący projektem obliczeń kwantowych, ogłosił projekt, w wyniku którego Chiny mają się stać odporne na szpiegostwo informacyjne i zostaną liderem w wykorzystaniu wojsk cybernetycznych. Według firmy badawczej Patinformatics, w 2018 roku Chiny na polu technologii kwantowych posiadały dwukrotnie więcej zgłoszeń patentowych niż Stany Zjednoczone. Zauważmy też, że Chiny nie będą się zajmowały stosowaniem technologii obliczeń kwantowych w medycynie, inżynierii czy też ekonomii, ale najpierw wykorzystają algorytmikę kwantową w zastosowaniach militarnych i cyberbezpieczeństwie. Nie wolno ich lekceważyć. Być może tak jak w przeszłości prowadzono międzynarodowe rokowania dotyczące nierozpowszechniania broni jądrowej, tak już teraz potrzebna jest inicjatywa dotycząca ograniczenia zastosowań militarnych komputerów kwantowych.

Obliczenia kwantowe to zupełnie nowe technologie, które w najbliższych latach staną się kluczowe w zakresie innowacyjnych rozwiązań gospodarczych, a w szczególności rynków finansowych. Będą również ważnym składnikiem potencjału obronnego państwa w zakresie cyberbezpieczeństwa. Czy rząd zdecyduje się na przeznaczenie odpowiednich środków na opracowanie w Polsce nowych rozwiązań na tym polu? Czy też pozostaniemy zdani na zakup drogich technologii za granicą? Działając odpowiednio szybko i zdecydowanie, jesteśmy w stanie pokonać dystans dzielący nas od światowych liderów, przynajmniej na polu algorytmiki kwantowej.