Drodzy Czytelnicy!

‍

Przełom roku służy nam do wielu podsumowań i rozważań. Tym razem nie podsumujemy globalnie naukowego roku 2024 przez pryzmat Nagród Nobla, a poprzez nasze najbliższe otoczenie.

W 2024 roku w Poznaniu wydarzyło się wiele naukowych, ważnych wydarzeń: rocznic, aktywności, badań, wystaw oraz konferencji. Uważamy jednak, że sprawą szczególnie istotną, którą długi czas żyło niemal całe miasto i kraj, był komputer kwantowy. Wywołał on wiele emocji, nie tylko w środowisku naukowym. Postaramy się przybliżyć Wam to urządzenie chociaż trochę, gdyż pełne zrozumienie tematu wymaga zaawansowanej wiedzy matematycznej, fizycznej i informatycznej.

Czym więc jest komputer kwantowy i czym różni się od naszych poczciwych laptopów?

‍

Komputer kwantowy również jest komputerem, więc tak samo służy do wykonywania różnego rodzaju obliczeń, przesyłania informacji oraz ma postać skrzynki (mniejszej lub większej) z kabelkami w środku. Na tym podobieństwa się kończą, bowiem kwantowy komputer ma zupełnie inną fizyczną zasadę działania.

Tradycyjne komputery opierają się na matematycznym systemie binarnym, tzn. jedna komórka na dysku (1 bit) może zapisać informację 1 lub 0, jest sygnał elektryczny lub go nie ma, jest magnetyzacja dysku/dyskietki lub jej nie ma, jest wyżłobienie w płycie CD/DVD lub go nie ma. Zestaw takich ośmiu komórek to bajt* (1B).

‍

Fizyczne rozmiary 1B:

- 2,6 mm² (przekrój spinacza biurowego) w pierwszym dysku HDD IBM 350 z 1956 roku [1]

- 0,4 mm² (przekrój drucika) w pierwszej dyskietce FDD 8" IBM/Memorex z 1974 roku [1]

- 24 um² (grubość kilku włosów)  w ostatniej dyskietce HiFD 3,5" Sony/SuperDisc z 1999 roku [2]

- 4800 nm² (kilkanaście tysięcy atomów) w najgęstszym dysku HDD Seagate z 2012 roku [1]

‍

Widzimy więc, że istnieje fizyczna granica tej miniaturyzacji. Zejście z rozmiarem 1B poniżej pewnej granicy kilku tysięcy atomów spowoduje rozpad domen magnetycznych oraz pasm półprzewodnikowych - nie utrwalimy sygnału, informacji. Jak więc zapisywać jeszcze więcej informacji w jeszcze mniejszych rozmiarach przestrzeni, aby jeszcze szybciej liczyć jeszcze bardziej skomplikowane modele?

‍

‍

‍

Tutaj odpowiedź stanowi komputer kwantowy. W tej miniaturyzacji schodzimy na poziom pojedynczych atomów i elektronów oraz ich stanów kwantowych (liczb opisujących dany stan, położenie, spin etc.). Podstawową jednostką budulcową jest kubit (ang. - qubit). Takim kubitem w sensie rzeczywistym będzie np. spin elektronu, ładunek kropki kwantowej lub polaryzacja fotonu. Przy czym wartość danego kubitu nie jest reprezentowana przez konkretną liczbę, a poprzez prawdopodobieństwo występowania w danym spinie, w danym ładunku lub w danej polaryzacji.

Pojawia się więc statystyczny charakter takiego zapisu informacji. Pojedynczy kubit nie możemy rozpatrywać w taki sam sposób jak tradycyjny bit (o! ten jeden konkretny namagnesował się południowo i ma wartość 0). W komputerze kwantowym zapis informacji opiera się na prawdopodobieństwie i opisie stanu co najmniej kilkuset, kilku tysięcy cząstek, odizolowanych i splątanych ze sobą kwantowo, chłodzonych do milikelwinów. Tak powstaje rejestr kwantowy, który dopiero możemy nazwać podstawową jednostką informacji, odpowiednikiem bita, który będzie reprezentował wartość 0 lub 1.

Podsumowując, komputer kwantowy (QC) wraz ze sztuczną inteligencją (AI) są obecnie najbardziej zaawansowanymi rozwiązaniami informatycznymi ludzkiej cywilizacji kiedykolwiek.

‍

‍

Za pierwszy komputer kwantowy uznaje się Sycamore, zbudowany przez Google w 2019 roku [4]. Pierwszy komercyjny komputer kwantowy udostępniło w chmurze IBM Q w tym samym roku [5]. Pierwszy rejestr kwantowy pojawił się w 2007 roku dzięki firmie D-Wave Systems [6]. Pierwsze badawcze konstrukcje miały miejsce w 1995 roku [7], a teoretyczne prace i idee pojawiły się w latach 80. XX wieku (kwantowa maszyna Turinga) [8].

Komputery kwantowe pozwolą jeszcze efektywniej, szybciej i wydajniej prowadzić obliczenia i procesy związane z niemal każdą dziedziną naszego życia: od wyznaczania wartości liczb, rozrywki, muzyki, tekstów, poprzez programowanie, logistykę, ekologię, transport publiczny oraz samolotowy, aż do modelowania leków antynowotworowych i do podróży kosmicznych.

‍

‍

‍

‍

‍

Niewątpliwie jest to urządzenie, które warto posiadać, badać i rozwijać.

Gorąca dyskusja, która przetoczyła się przez Polskę i Poznań w 2024 roku dotyczyła pierwszego europejskiego komputera kwantowego, który ma stanąć w PCSS (Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe). Szczęśliwy finał tej sprawy jest taki, że mamy już komputer ORCA, a Ministerstwo Cyfryzacji zapewniło finansowanie na europejski projekt EuroQCS-Poland, który rozpocznie działanie w PCSS w połowie 2025 roku [11].

‍

‍

Dla ciekawych i bardziej zaawansowanych Czytelników polecamy film YT [12] oraz artykuł Nature [4].

‍

‍

* Liczba 8 to potęga dwójki (2³), system binarny to zero-jeden, to system dwóch cyfr, system liczby 2.
Stąd biorą się przeliczenia typu 1B = 8b oraz 1 kB = 1024 B (a nie tysiąc),
"kilo" to 2¹⁰=1024=1024¹ B; a "mega" to 1024² B.
Temat na osobne zajęcia z matematyki z Panem Konradem ;)

‍

‍

źródła:

[1] https://www.computerhistory.org

[2] https://www.storagenewsletter.com

[3] https://www.dwavesys.com

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

[5] https://www.ibm.com/quantum

[6] https://www.nytimes.com/2007/04/08/business/yourmoney/08slip.html

[7] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.75.4714

[8] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1982JSP....29..515B/abstract

[9] https://www.bbc.com/news/science-environment-50154993

[10] Connie Zhou/IBM; www.spectrum.ieee.org/ibm-condor

[11] https://www.pcss.pl

[12] https://www.youtube.com/watch?v=PWTOIgIKQ18

[13] grafika na banerze: https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/51248884043/in/photostream

‍

‍

[30.01.2025]

‍