Komputery kwantowe – chwilowa moda czy realny technologiczny przełom?

Przesadny szum medialny, który robi się wokół komputerów kwantowych, może im tylko zaszkodzić. Zanim faktycznie zacznie się je wykorzystywać do realnych problemów badawczych, minie co najmniej kilka lat. Warto, by Polska również zaczęła interesować się tą dziedziną, bo inne państwa, a przede wszystkim korporacje, startują w wyścigu o największy przełom. Choć na razie zbyt niewielu Polaków zajmuje się technologią kwantową, to udało mi się porozmawiać z dwójką tych, którzy na co dzień zgłębiają ten temat – Pawłem Gorą i Wojciechem Burkotem.

Po co nam komputery kwantowe?

Komputery kwantowe różnią się zasadniczo od tych, które znamy. Bez zagłębiania się w szczegóły, różnica polega głównie na ich budowie opartej o świat mikroskopowy. Dzięki temu mogą być w pewnych konkretnych zastosowaniach nieporównywalnie szybsze i przeprowadzać wiele obliczeń jednocześnie, podczas gdy najlepszym komputerom klasycznym te same komendy zajęłyby nieraz setki lat. Dlatego w wielu wyspecjalizowanych branżach z ich wykorzystywaniem wiąże się duże nadzieje. Problem mogą stanowić jednak awaryjność i koszty, które trzeba ponieść, by utrzymać je w optymalnych warunkach – temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Należy także pamiętać, że nie we wszystkich zastosowaniach komputer kwantowy jest szybszy od tradycyjnego.

Jak podaje Ramon Szmuk w artykule Quantum computing will (eventually) help us discover vaccines in days, komputery kwantowe mają mieć zastosowanie w projektowaniu różnorakich materiałów, w tym medykamentów (m.in. pozwalając na symulacje kwantowe niemożliwe do przeprowadzenia klasycznym komputerem). W swoim artykule przywołuje on wystąpienie prof. Noor Shaker, dawną prezeskę GTN Ltd, która chciała skrócić proces znalezienia leku przez połączenie uczenia maszynowego z fizyką kwantową. Badaczka odniosła się do możliwości wykorzystywania komputerów kwantowych: „Gdy pojawi się jakaś nowa choroba, proces znalezienia leku trwa około 15 lat, kosztuje 2,6 miliardów dolarów, a polega na filtrowaniu milionów molekuł, aby zidentyfikować tylko te setki obiecujących, które mają wysokie prawdopodobieństwo, aby stać się lekiem. Potem, w trakcie testów około 99% molekuł odpada z powodu m.in. błędnej predykcji zachowania i ograniczeń próbki”.

Choć komputery kwantowe nie zastąpią nam w przewidywalnej przyszłości naszych laptopów, to mogą okazać się także niezwykle przydatne w ekonomii i finansach przy obliczaniu ryzyka czy też w modelowaniu inwestycji. Inną możliwą rolą komputerów kwantowych jest kryptografia – łamanie szyfrowania przez ataki brute force, mogące prowadzić na przykład do ujawniania prywatnych danych. Czeka się także na lepsze akumulatory i baterie. Jednym z najbardziej wyczekiwanych zastosowań jest optymalizacja w logistyce. Wyliczenia mają wskazać najtańsze, najkrótsze i najszybsze trasy.

Szkodliwy medialny hajp

We wrześniu 2019 roku pojawiła się informacja na stronie internetowej NASA, partnera badań, że Google osiągnęło supremację kwantową (Supremacja kwantowa, według autora terminu, Johna Preskilla, to moment, w którym komputery kwantowe będą dominować nad klasycznymi). Google twierdziło, że zadanie, które ówczesnemu najlepszemu superkomputerowi zajęłoby 1000 lat, 53-kubitowy komputer kwantowy wykonał w 200 sekund. Wpis ze strony NASA wkrótce zniknął, ale sukces został ogłoszony jeszcze raz miesiąc później na łamach czasopisma „Nature”. Niektórzy zwracają jednak uwagę, że zadanie, które zostało wykonane na maszynie, było pod nią stworzone.

Sporo artykułów powstało po eksperymencie firmy Google. Ich tytuły mogą wskazywać na to, że komputery te są już w użyciu i lada moment nastąpi rewolucja technologiczna, która zmieni nasze codzienne życie. Jednak nie jest to prawda. Wprowadzenie komputerów kwantowych w życie wciąż jest bardziej odległe niż twierdzą hurraoptymistyczne artykuły.

W związku z PR-em firm kwantowych na Twitterze, założono konto Quantum Bullshit Detector. Ten samozwańczy watchdog wychwytuje wypowiedzi naukowców, którzy twierdzą, że komputery kwantowe rozwiążą problemy współczesnego świata. W okresie od lutego do marca br. powstało wiele przypuszczeń, że komputery kwantowe pomogą znaleźć lek na COVID-19. Jak na razie okazało się to jednak kolejnym przykładem przesadnego technooptymizmu – nic takiego się nie wydarzyło.

Nie przeszkadza to jednak kolejnym państwom przeznaczać na tę technologię coraz większe kwoty na badania, m.in. Stanom Zjednoczonym, Wielkiej Brytanii, a także członkom Unii Europejskiej. Zgodnie z informacjami z artykułu Pawła Maretycza, Sztuczna Inteligencja i komputery kwantowe z większym wsparciem – USA idzie na technologiczną wojnę, Biały Dom zaproponował w 2021 roku budżet, który obejmuje około 30-procentowy wzrost wydatków na sztuczną inteligencję i obliczenia kwantowe. Technologia kwantowa dostanie 699 milionów dolarów – o 120 milionów więcej niż w tym roku. Główny cel to przede wszystkim kwantowy Internet, który m.in. pozwoli na dużo bezpieczniejszą komunikację.

Każde z inwestujących państw ma nadzieję, że jako pierwsze wykorzysta potencjał mechaniki kwantowej, by stworzyć lepsze baterie albo łamać szyfrowanie. Wysoko postawiona poprzeczka i kosmiczny poziom trudności zagadnienia wywiera presję na naukowcach, którzy muszą sprostać oczekiwaniom.

Z drugiej strony, jak przyznaje Paweł Gora, naukowiec i doktorant informatyki na Wydziale Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW: „Trzeba docenić postęp technologiczny i to, że powstają coraz lepsze komputery kwantowe. Być może postęp nie jest bardzo szybki, ale jednak jest widoczny i nie zapowiada się raczej w tej chwili, aby miał się zatrzymać. Eksperyment Google porównywany jest do pierwszego lotu braci Wright – nie był zbyt odległy, ale pokazano, że się da, a za kilkanaście lat mieliśmy już loty komercyjne”.

„W przypadku komputerów kwantowych na poważne komercyjne zastosowania też trzeba będzie pewnie jeszcze trochę zaczekać, ale wygląda na to, że takie zastosowania faktycznie będą możliwe” – dodaje Gora.

Prawdopodobnie miną jeszcze lata, zanim naukowcy wyeliminują problemy techniczne, na które natrafiają w trakcie pracy komputerów kwantowych. Wtedy faktycznie – możliwe, że zetkniemy się z ich imponującą mocą obliczeniową rozwiązującą pewne konkretne współczesne problemy. Tymczasem deklaracje zastosowań komputerów kwantowych zamiast komputerów klasycznych – np. do bardzo konkretnych obliczeń i symulacji, w których rzeczywiście mają nieporównywalnie większy potencjał – w najbliższym czasie to raczej obietnice bez pokrycia. Paweł Gora jednak zwraca uwagę: „Należy pamiętać, że w dużym stopniu wynika to z tego, jak bardzo potężne już obecnie są komputery klasyczne. Kwantowe odpowiedniki już teraz są w stanie rozwiązywać dość dobrze pewne problemy obliczeniowe, ale w praktycznych zastosowaniach komputery jakie znamy są jednak od nich wciąż lepsze. Z całą pewnością warto jednak rozwijać dziedzinę informatyki kwantowej, inwestować w badania i edukację w tym obszarze. Postęp jest widoczny”.

Polski wkład

W Polsce niewiele osób zajmuje się jeszcze technologią kwantową. „W naszym kraju jest prawie 40 mln osób, a szacuję, że ludzi zajmujących się poważnie informatyką kwantową jest ok. kilkudziesięciu. To jest około 1-2 osoby na milion! Trzeba będzie poczekać jeszcze pewnie wiele lat na przełom i zastosowania praktyczne komputerów kwantowych, ale gdy/jeśli to nastąpi, trzeba być na to gotowym, dlatego tak ważne jest, aby zachęcać ludzi w Polsce do zajmowana się tym tematem” – mówi Paweł Gora, który sam naukowo zajmuje się komputerami kwantowymi.

W tym kontekście powinno się przede wszystkim wspomnieć o jednej z pierwszych firm w Polsce zajmujących się komputerami kwantowymi – Beit z Krakowa. Szef fizyki w Beit, niegdyś szef inżynierów Google w Polsce, Wojciech Burkot, komputerami kwantowymi zajmuje się od 1993 roku i jest światowym autorytetem w tej dziedzinie. Chociaż działalność firmy opiera się właśnie na komputerach kwantowych, to wypowiadając się o nich jest bardzo ostrożny i rygorystyczny naukowo. W jednym z wywiadów przyznał także, że boi się przesadnego szumu wokół branży.

„Nie lubię nadmuchanych obietnic, bo to się obróci przeciwko temu powstającemu przemysłowi. Już raz hajp tę dziedzinę zabił” – stwierdził Wojciech Burkot w rozmowie na kanale YouTube, Semihalf.

„Po opublikowaniu algorytmu Shore’a [algorytmu można teoretycznie użyć, by złamać szyfrowanie przesyłanych informacji w internecie (RSA)] w 1996 roku poszły pieniądze ze strony NSA [National Security Agency] i DARP-y [Defense Advanced Research Projects Agency]. Myśleli, że stanie się to zaraz, już, natychmiast! Okazało się, że nie tak zaraz i nie tak natychmiast…. Wszyscy jednak wiedzą, że komputery kwantowe kiedyś przewagę nad klasycznymi będą miały” – podkreślał Burkot.

Beit ma już sukcesy na tym polu, na co wskazuje jego naczelny fizyk: „Metodami opartymi o kwestionowanie fundamentalnych założeń w tej branży skróciliśmy algorytmy, dzięki czemu można ich używać na obecnym sprzęcie [największy w obecnym użyciu to 50 kubitów], co wcześniej, w wielu wypadkach, nie było możliwe. Przystosowujemy techniki, które działały na komputerach klasycznych, by bardzo szybko działały na kwantowych. Patentujemy w USA i Europie metody, które będą użyte na każdym obecnie istniejącym sprzęcie kwantowym i dla każdego algorytmu”.

Firm zajmujących się softwarem jest coraz więcej, tak jak i źródeł finansowania. Rosnąca konkurencja jest jednak również powodem do obaw, bo na wczesnym etapie rozwoju rynku inwestycje w „ślepe” ścieżki inżynieryjne mogą pogrążyć całą branżę.

„Pojawiająca się obecnie konkurencja na tym rynku, szczególnie pomiędzy producentami sprzętu, jest klęską dla branży. Jest ona za młoda, aby dzielić rynek, bo jego jeszcze nie ma. Co się stanie, gdy okaże się, że nie da się stworzyć większych komputerów na nadprzewodzących kubitach? Co się wtedy stanie ze wszystkimi patentami Google i IBM? Setki milionów dolarów, które poszły na badania pójdą w piach. Współpraca na tym etapie dałaby szansę wszystkim obecnym graczom, niezależnie która z implementacji by ostatecznie nie wygrała. To tak jak z samochodami… Gdy powstawała motoryzacja na początku XX wieku to pojawiły się samochody parowe czy elektryczne. Miały sterowane tylne koła lub przednie, sześć kół lub trzy czy cztery koła. Teraz wszystkie samochody są jednakowe, nie różnią się bardzo od siebie. Są projektowane przez te same programy. Tak samo będzie z komputerami kwantowymi. Znajdzie się efektywna technika budowy i tak będą wyglądały wszystkie komputery kwantowe. Nie wiemy nawet, czy już powstała maszyna używająca tej metody, która ostatecznie wygra” – podsumowuje Wojciech Burkot.

***

Choć nagłówki wielu artykułów dotyczących komputerów kwantowych wskazują na ich wyjątkowe możliwości, to jednak na razie nie wykraczają one poza moc obliczeniową komputerów klasycznych. Uważa się, że postęp gwarantujący szersze zastosowanie komputerów kwantowych w specjalistycznych badaniach może nastąpić za kilka lat. Dlatego właśnie teraz jest czas na to, by bez przesadnego wyolbrzymienia mówić o ich realnych możliwościach, o zagrożeniach, jakie mogą nastąpić przez zbyt duże oczekiwania wobec naukowców i wydawanie zawyżonych budżetów. Niekorzystne dla rozwoju branży może być także powstawanie coraz to nowszych firm, które – zamiast kooperować – ścigają się o miano prekursora. Postęp trwa i Polska także powinna inwestować w edukację i badania w tym obszarze.

Serdeczne podziękowania dla Pawła Gory za konsultacje merytoryczne, bez których nie powstałby ten materiał.