Autor:29.11.2024
Komputery kwantowe w prostych słowach
Komputery kwantowe to jedno z najbardziej fascynujących osiągnięć współczesnej nauki i technologii. Ich działanie opiera się na złożonych zasadach fizyki kwantowej - w tym artykule postaramy się to wyjaśnić w jak najprostszy sposób. Mamy nadzieję, że będzie to dobra okazja aby poznać możliwości, zasadę działania oraz ograniczenia komputerów kwantowych.
Czym różni się komputer kwantowy od zwykłego?
Tradycyjne komputery, jak Twój laptop czy smartfon, wykorzystują bity do przetwarzania informacji. Bit może przyjmować jedną z dwóch wartości: 0 albo 1. Wszystkie operacje w klasycznym komputerze opierają się na tej binarnej logice.
Komputery kwantowe z kolei wykorzystują kubity (bity kwantowe), które mogą być jednocześnie 0, 1 albo obiema wartościami naraz. Zachodzi tutaj zjawisko zwane superpozycją. Opowiemy o nim za chwilę.
Ta różnica sprawia, że komputery kwantowe działają w sposób zupełnie odmienny od klasycznych – są w stanie analizować ogromną liczbę rozwiązań jednocześnie.
Co to jest superpozycja?
Aby zrozumieć superpozycję, wyobraź sobie monetę wirującą w powietrzu. Dopóki nie wyląduje, nie jest ani "orłem", ani "reszką" – jest w pewnym sensie obydwiema wartościami naraz. Kubity działają podobnie: mogą reprezentować 0, 1, a także obydwa te stany jednocześnie. Dzięki temu komputer kwantowy może równocześnie analizować wiele różnych ścieżek rozwiązań problemu.
Wyobraź sobie, że za pomocą komputera próbujemy otworzyć zamek szyfrowy. Komputer klasyczny będzie testować wszystkie możliwe kombinacje, jedna po drugiej. Z kolei komputer kwantowy jest w stanie "sprawdzić" wszystkie kombinacje jednocześnie. A to daje nam niesamowite wręcz przyspieszenie!
Splątanie - kwantowa więź
Drugim kluczowym zjawiskiem wykorzystywanym w komputerach kwantowych jest splątanie (ang. entanglement). Splątane kubity są ze sobą tak ściśle powiązane, że zmiana stanu jednego z nich, natychmiast wpływa na stan drugiego, niezależnie od odległości między nimi. Splątanie pozwala komputerom kwantowym przetwarzać informacje w niezwykle wydajny sposób, ponieważ splątane kubity mogą działać jak zespół, wykonując złożone operacje znacznie szybciej niż klasyczne bity.
Na czym polega wyjątkowa moc komputerów kwantowych?
Wiemy już, jaka jest ogólna idea komputera kwantowego - potrafi on analizować wszystkie ścieżki jednocześnie. Z kolei komputer klasyczny, musi wszystkie ścieżki analizować po kolei. W praktyce daje to komputerom kwantowym niesamowite wręcz możliwości rozwiązywania problemów. Mogą one równocześnie wykonywać ogromną liczbę obliczeń.
Gdzie można wykorzystać komputery kwantowe?
Komputery kwantowe nie są w stanie zastąpić klasycznego komputera w codziennych zadaniach, takich jak odtwarzanie filmu czy wysyłanie wiadomości email. Ich unikalne możliwości sprawdzą się tam, gdzie trzeba dokonać bardzo skomplikowanych obliczeń i przetwarzać olbrzymi zestaw informacji.
Oto przykładowe zastosowania komputerów kwantowych.
- Komputery kwantowe mogą błyskawicznie złamać hasła i szyfry. A to może wymusić zupełnie nowe podejście do kryptografii i stworzenie odpornych metod szyfrowania.
- Modele klimatyczne i prognozowanie pogody to dziedzina wymagająca bardzo złożonych obliczeń - komputery kwantowe mogą nam w tym bardzo pomóc.
- Można ich też używać do symulowania procesów chemicznych i dzięki temu odkrywać np. nowe materiały albo nowe leki.
- Można też wykorzystać moc komputera kwantowego do budowania zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji.
To tylko wybrane przykłady zastosowań komputera kwantowego. Ta dziedzina dopiero stawia pierwsze kroki, i w miarę rozwoju technologii, pojawią się zupełnie nowe zastosowania.
Dlaczego tak trudno jest zbudować komputer kwantowy?
Techniczne aspekty komputera kwantowego są bardzo skomplikowane. Dlatego ta dziedzina dotychczas rozwijała się stosunkowo powoli. Nie chcemy zanudzać szczegółami, dlatego wspomnimy tylko o głównych wyzwaniach technicznych.
- Kubity są bardzo podatne na zakłócenia z otoczenia, takie jak ciepło, wibracje czy promieniowanie. Utrata ich stanu kwantowego nazywana jest dekoherencją.
- Kubity często wymagają chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego (-273°C) lub izolacji w komorach próżniowych.
- Nawet niewielkie błędy mogą zrujnować obliczenia kwantowe, a ich poprawa wymaga dodatkowych kubitów i skomplikowanych technik.
Nie ma jednego idealnego rozwiązania powyższych problemów. Ta dziedzina cały czas się rozwija, a naukowcy nieustannie próbują znaleźć najlepsze podejście do technikaliów.
Jak wygląda stan komputerów kwantowych na koniec roku 2024?
W ostatnich kilku latach rozwój komputerów kwantowych zauważalnie przyspieszył. Duży wkład mają tu firmy takie jest IBM, Google czy IonQ. W roku Google ogłosiło osiągnięcie "kwantowej supremacji", czyli wykonanie zadania, które klasyczny superkomputer wykonałby w tysiące lat.
Wnioski
Komputery kwantowe to krok w przyszłość, który pozwoli nam rozwiązywać problemy, które były poza zasięgiem klasycznych komputerów. Choć technologia ta wciąż jest w fazie rozwoju, jej potencjał w takich dziedzinach jak kryptografia, odkrywanie leków, sztuczna inteligencja czy optymalizacja procesów jest ogromny. Zastosowanie zasad fizyki kwantowej w obliczeniach może otworzyć drzwi do zupełnie nowej ery technologicznej.
Źródła
