Komputer kwantowy to temat pobudzający wyobraźnię. O co tu jednak chodzi? Jak działa? Czemu to przyszłość nauki?
Spis treści
Jak działa tradycyjny komputer?
Tradycyjny komputer to maszyna cyfrowa, która wykonuje obliczenia, przetwarza dane i realizuje zaprogramowane instrukcje. Podstawą jego działania jest reprezentowanie informacji za pomocą bitów – najmniejszych jednostek danych w systemie binarnym. Każdy bit może przyjmować wartość 0 lub 1, co odpowiada dwóm stanom fizycznym (np. niskiemu lub wysokiemu napięciu w układach elektronicznych). Wszystko, co komputer przetwarza – tekst, liczby, obrazy czy dźwięki – jest kodowane w postaci ciągów tych zer i jedynek.
Komputer realizuje obliczenia na bitach, wykonując operacje logiczne i arytmetyczne. Na poziomie procesora operacje te są wykonywane przez układy logiczne (bramki logiczne), które realizują podstawowe funkcje. Komputer działa zgodnie z instrukcjami zapisanymi w programach, które są zestawami kodów maszynowych (ciągów zer i jedynek). Każda instrukcja mówi procesorowi, co ma zrobić – np. odczytać dane z pamięci, wykonać operację arytmetyczną czy zapisać wynik. Brzmi to ciężko, ale tak naprawdę to wszystko zera i jedynki. Tylko szybko obliczane i w bardzo dużych ilościach.
Nawet najbardziej złożone zadania, takie jak renderowanie grafiki 3D, odtwarzanie muzyki czy analiza danych, są realizowane przez przekształcanie zer i jedynek. No chyba, że mowa o komputerach kwantowych.
Sprawdź: Cable management – co to jest? Jak się za to zabrać?
Komputer kwantowy to zupełnie inna maszyna
Komputer kwantowy to zupełnie inna maszyna niż tradycyjny komputer, a jego działanie opiera się na zasadach mechaniki kwantowej, a nie na przetwarzaniu bitów w systemie binarnym. Tak naprawdę nie do końca powinien nazywać się nawet komputerem. Ale z drugiej strony komputer to w wolnym tłumaczeniu maszyna do obliczeń.
Zamiast operować na bitach (0 lub 1), komputer kwantowy korzysta z zupełnie nowej koncepcji – wykorzystuje zjawiska kwantowe, takie jak superpozycja, splątanie czy interferencja, które w zwykłym świecie nie mają odpowiedników. Wszystko to brzmi futurystycznie i niemal nieprawdopodobnie, ale rzeczywistość czasami taka bywa. Świat kwantowy rządzi się swoimi prawami.
Tradycyjny komputer – od laptopa po najnowocześniejszy superkomputer – działa liniowo, przetwarzając dane za pomocą deterministycznych operacji logicznych. Nawet superkomputer to jedynie ogromna liczba tradycyjnych procesorów połączonych w sieć, zdolna do wykonywania miliardów operacji w ciągu sekundy. Jednak wszystkie te operacje są w gruncie rzeczy ograniczone zasadami klasycznej fizyki i logiki binarnej. Czyli wracamy do zer i jedynek.
Komputer kwantowy, z drugiej strony, działa na zupełnie innej zasadzie. Zamiast przetwarzać dane krok po kroku, wykorzystuje równoczesne przetwarzanie wielu stanów dzięki superpozycji kwantowej. I tutaj nie mamy już zer i jedynek i bitów. Mamy kubity.
Co to jest kubit?
Kubit to podstawowa jednostka informacji w komputerach kwantowych, analogiczna do bitu w tradycyjnych komputerach. Jednak w przeciwieństwie do bitu, który może przyjmować wyłącznie jedną z dwóch wartości – 0 lub 1, kubit działa na zasadach mechaniki kwantowej i może znajdować się w stanie superpozycji. No i tutaj jest ten moment, który ciężko wytłumaczyć. Kubit bowiem przyjmuje wartość 0 i 1 jednocześnie. Dopiero w momencie pomiaru „wyciągamy” jedną z wartości.
Superpozycja sprawia, że kubit jest niezwykle potężnym narzędziem obliczeniowym, ponieważ pozwala komputerowi kwantowemu przetwarzać wiele możliwych rozwiązań jednocześnie, co jest niemożliwe w przypadku klasycznych bitów. Bardzo pomocne jest też zjawisko splątania kwantowego. Kubity mogą być połączone w taki sposób, że zmiana stanu jednego kubita wpływa natychmiast na stan drugiego, niezależnie od odległości między nimi. Natychmiast. Szybciej niż prędkość światła.
Sprawdź: Sztuczna inteligencja zmienia rynek IT na naszych oczach
Dlaczego komputer kwantowy to jeszcze odległa przyszłość?
Kubity są niestety bardzo wrażliwe na zakłócenia środowiskowe, takie jak ciepło, promieniowanie czy drgania. Zjawisko to, zwane dekoherencją, prowadzi do utraty informacji kwantowej, co stanowi jedno z największych wyzwań w budowie komputerów kwantowych. W praktyce oznacza to, że kubity muszą być izolowane od otoczenia i utrzymywane w warunkach ekstremalnie niskiej temperatury, co wymaga zaawansowanej technologii i infrastruktury. Dlatego też rozwój idzie powoli, to nie maszyna, którą możemy trzymać pod biurkiem.
Kubity tworzone są przez prądy elektryczne w zamkniętych obwodach schłodzonych do ekstremalnie niskich temperatur (bliskich zera absolutnego), dzięki czemu wykazują nadprzewodnictwo. Ograniczają nas zatem dwa czynniki
Po pierwsze – nie wiemy do końca jak działa cała mechanika kwantowa. Wszystko brzmi dziwnie, niejasno i skomplikowanie. Więcej jest pytań niż odpowiedzi. A po drugie cały system jest piekielnie niestabilny i wymaga olbrzymiego nakładu pracy. Dodatkowo nie wiemy czy nie pomijamy czegoś co może powodować zakłócenia.
Problemem jest też złożoność. Współczesne komputery kwantowe mają ograniczoną liczbę kubitów (zwykle od kilkudziesięciu do kilkuset). Aby rozwiązywać bardziej złożone problemy, liczba kubitów musi wzrosnąć, ale dodanie kolejnych kubitów wymaga jeszcze bardziej skomplikowanej infrastruktury chłodzenia, kontroli i izolacji. Każdy dodatkowy kubit zwiększa też liczbę interakcji, co prowadzi do większej podatności na błędy.
Zobacz też:
AGI – co to jest ogólna sztuczna inteligencja? To przyszłość AI?
Prompt engineering – co to jest? Czy to zawód przyszłości?
