Rewolucja kwantowa coraz bliżej

Poszukiwaniem sposobów na wykorzystanie zjawisk kwantowych w technologiach komputerowych zajmują się obecnie najbardziej zaawansowane ośrodki naukowe na świecie. O ile jeszcze parę lat temu pomysł stworzenia „kwantowego komputera” był domeną głównie teoretycznych rozważań naukowców, o tyle obecnie najwięksi technologiczni gracze na globalnym rynku oraz najsilniejsze państwa inwestują ogromne sumy w pracę nad konkretnymi rozwiązaniami.

Anna Kamińska, ekspert technologicznej firmy Creotech Instruments S.A., wyjaśnia że przyczyną tego przyspieszenia jest wielki postęp, jaki został osiągnięty w fizyce w zakresie kontroli i odczytu właściwości stanu kwantowego pojedynczych atomów, czy nawet cząstek elementarnych.

Stan kwantowy, zwany spinem, jest idealnym kandydatem z „kwantowego świata” do pełnienia roli kubitu, czyli jednostki informacji kwantowej. Kubit w komputerach kwantowych ma stać się następcą bitu. Gdy odczytujemy tzw. rzut kwantowego spinu, to może on przyjąć wartości ‘w górę’ lub ‘w dół’, co odpowiada wartościom 0 lub 1 znanym nam z systemu binarnego. Tu jednak analogia z klasycznym komputerem się kończy. W trakcie działania komputera kwantowego wykorzystywane mogą być bowiem stany mieszane, „trochę 0 i trochę 1”, co zmienia zupełnie naturę i dostępną moc obliczeniową maszyny.

Kwantowy wyścig zbrojeń

Zaawansowane badania nad komputerami kwantowymi prowadzą obecnie duże i renomowane firmy. Zaledwie kilka tygodni temu Google pochwalił się zbudowaniem procesora 72-kubitowego, natomiast IBM testuje już własny prototyp komputera 50-kubitowego. Swoje własne inwestycje i badania prowadzi Microsoft, Intel i Airbus. Mamy więc do czynienia z globalnym wyścigiem.

Tak wielkie zainteresowanie biznesu nie powinno dziwić jeśli weźmiemy pod uwagę przewidywaną skalę nadchodzącej rewolucji związanej z komercyjnym wykorzystaniem zjawisk kwantowych. Wdrożenie na rynek komputerów kwantowych zdecydowanie usprawni rozwiązywanie pewnych klas problemów obliczeniowych. Otworzy to zupełnie nowe możliwości w analizowaniu wielkich zbiorów danych (big data), w metodach uczenia maszynowego (machine learning), rozpoznawania wzorców (pattern recognition) oraz w modelowaniu procesów w fizyce, chemii, biologii i medycynie. Takie możliwości obliczeniowe znajdą również ważne zastosowania w bezpieczeństwie narodowym, finansach i cyberbezpieczeństwie.

Mówimy więc o rozwiązaniach, których długoterminowego wpływu na codzienne życie każdego z nas nie jesteśmy sobie w stanie nawet wyobrazić. Tego rodzaju technologiczne rewolucje nie zdarzają się codziennie i przyjęto nazywać je innowacjami radykalnymi (ang: disruptive innovations) ponieważ w sposób radykalny zmieniają całe gałęzie gospodarki. Przykładem tego typu innowacji jest wprowadzenie na rynek komputerów osobistych, czy telefonów komórkowych i upowszechnienie się Internetu.

Badania nad komputerami kwantowymi są również coraz intensywniej wspierane ze środków publicznych. Z raportu „The Commercial Prospects for Quantum Computing”, wydanego w 2016 roku przez Networked Quantum Information Technologies wynika, że w latach 2010-2016 na inwestycje w rozwój technologii komputerów kwantowych w USA przeznaczono ponad 200 mln dolarów. Podobne kwoty wydane zostały na ten cel przez organizacje publiczne w Kanadzie i w Singapurze. W Europie w tym samym czasie, w inwestycjach w badania nad komputerami kwantowymi prym, wiodła Wielka Brytania, z wydatkami sięgającymi 63 mln dolarów oraz Holandia, która przeznaczyła na ten cel 50 mln dolarów.

Od 2016 roku Unia Europejska także posiada własną politykę w tym zakresie i jej elementem jest Quantum Technology Flagship. W ramach tej unijnej inicjatywy, której budżet przekracza miliard euro, powstawać mają konkretne rozwiązania, bazujące na zjawiskach kwantowych, związane z komunikacją i transmisją danych, realizacją skomplikowanych obliczeń i symulacji oraz diagnostyką.

Rodzący się nowy rynek

Choć komercyjne komputery kwantowe jeszcze nie istnieją, firmy zajmujące się badaniami rynku już biorą je pod uwagę w swych analizach. Przykładowo Market Research Media przewiduje, że wartość rynku komputerów kwantowych przekroczy 5 miliardów dolarów do roku 2020. Badania nad komputerem kwantowym prowadzone są w sposób wielotorowy i stymulują rozwój innych technologii.

Od czujników dla CERN do komputerów kwantowych

Ponieważ wykorzystanie zjawisk kwantowych w komputerach przyszłości wymaga zastosowania wyjątkowo precyzyjnych układów elektronicznych, firmy takie jak Creotech Instruments S.A., które specjalizują się w projektowaniu i produkcji elektroniki wysokiej niezawodności na potrzeby fizyki akceleratorowej, eksperymentalnych reaktorów termojądrowych i projektów kosmicznych chcą w tym perspektywicznym rynku mieć swój udział.

Potrzeby szeroko rozumianego, rodzącego się ‘przemysłu kwantowego’ są w znacznej mierze zbieżne z potrzebami odbiorców naszej elektroniki wysokiej niezawodności. W kwantowych komputerach przyszłości ogromne znaczenie będą miały precyzyjne układy kontrolno-pomiarowe, które wykorzystywane będą do weryfikowania stanu oraz sterowania całym urządzeniem. Nasza firma posiada ogromne doświadczenie w projektowaniu tego typu układów na potrzeby fizyki wysokich energii czy sektora kosmicznego. Budowa kompetencji w tej perspektywicznej, kwantowej, dziedzinie to jeden z ważnych kierunków rozwoju naszej spółki.

Firma Creotech Instruments S.A., dziś kojarzona głównie z projektami kosmicznymi, początkowo specjalizowała się w produkcji precyzyjnych elektronicznych urządzeń pomiarowych dla instytucji badawczych takich jak Instytut Badań Jądrowych CERN, czy niemiecki GSI. Do dziś ta dziedzina, obok projektów kosmicznych i usług bazujących na wykorzystaniu danych satelitarnych, stanowi istotną część biznesu spółki z Piaseczna.

Podobieństwa i wyzwania

Systemy kontrolno-pomiarowe dla komputerów kwantowych powinny, podobnie jak te dedykowane laboratoriom wysokich energii czy eksperymentalnym takomakom (reaktorom termojądrowym), cechować się wyjątkową precyzją i niezawodnością. Jednak ‘przemysł kwantowy’ tę, i tak wysoko zawieszoną poprzeczkę, podnosi jeszcze wyżej.

Testowane są różnorodne pomysły na kwantowy komputer. Naukowcy wykorzystują kubity oparte na pułapkach jonowych, kubity nadprzewodzące, kubity topologiczne, czy sieci optyczne. Każde z tych rozwiązań wymaga innych warunków otoczenia do pracy, innych temperatur, innych pól elektromagnetycznych, innych sposobów manipulowania kubitami. W związku z tym stworzenie możliwie uniwersalnego systemu kontrolno-pomiarowego wymaga zastosowania podejścia modułowego. Kolejnym wyzwaniem jest zapewnienie hiperkrótkiego czasu reakcji układu kontrolnego, przynajmniej o rząd wielkości krótszego niż ten wymagany w fizyce akceleratorowej. Znajdujemy się tu już naprawdę na granicach współczesnych możliwości technologicznych i spełnienie takich wymagań będzie efektem długiej i wielopoziomowej pracy inżynierskiej.

Ogrom zastosowań

Technologie kwantowe to jednak nie tylko komputery. Zjawiska kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w znacznie prostszych układach, które w zamyśle badaczy będą w przyszłości służyć do modelowania i symulacji procesów, z których opisem nie są w stanie sobie poradzić klasyczne superkomputery. Trwają również badania nad prostymi komputerami – przekaźnikami kwantowymi, na bazie których można budować systemy komunikacji idealnie bezpiecznej. Elementy komunikacji kwantowej są już testowane na chińskim satelicie Micius, a chińskie władze chcą w najbliższych latach wprowadzić całą sieć bezpiecznej kwantowej komunikacji na swój użytek.

Efekty kwantowe w postaci przejść atomowych są już od dawna używane w zegarach atomowych jako najdokładniejszy wzorzec czasu i częstotliwości, jakim dysponuje ludzkość. Jest on niezbędny np. do działania systemu GPS czy nawigacji na orbicie i w przestrzeni kosmicznej, ale też w tak ‘przyziemnych’ zastosowaniach jak sterowanie sieciami energetycznymi czy telekomunikacyjnymi.

Zdaniem ekspertki zwiększenie dokładności zegarów atomowych, nad którym pracują liczne laboratoria na świecie, otworzy nowe, ciekawe zastosowania, choćby w grawimetrii, czyli pomiarach pola grawitacyjnego Ziemi. Niezwykłą precyzję, jaką oferują technologie kwantowe, planuje się wykorzystywać również w różnego rodzaju czujnikach, w szczególności pola magnetycznego, gdzie osiągniecie niespotykanej dotąd czułości wydaje się realne w ciągu najbliższych kilku lat.