„Niedawno Google ogłosiło całemu światu, że budowany przez niego komputer kwantowy o nazwie Sycamore potrzebuje zaledwie kilku minut, by dokonać obliczeń, które klasycznemu komputerowi zajęłyby ok. 10 tysięcy lat. Teraz dochodzą do nas wieści o pobiciu tego rekordu przez najnowszy i jeden z najbardziej zaawansowanych na świecie komputerów kwantowych z Chin.

Naukowcy na co dzień pracujący przy maszynie przyszłości o nazwie Jiuzhang, wykonali w zaledwie 180 sekund niezwykle skomplikowaną symulację na swoim nowym komputerze kwantowym. Okazuje się, że stworzenie podobnej symulacji zajęłoby najpotężniejszemu obecnie na świecie japońskiemu superkomputerowi Fugaku aż 600 milionów lat, a chińskiemu Sunway TaihuLight, trzeciemu najszybszemu na świecie, nawet 2,5 miliarda lat” – donosił pod koniec ubiegłego roku „Geek Week” [1].

Specjaliści twierdzą – wbrew popularnym wyobrażeniom, uformowanym w nas przez dogasającą właśnie rewolucję krzemową – iż w komputerach kwantowych nie chodzi wcale o to, żeby jeszcze szybciej móc „walić w joystick”. Oczywiście nawet Stanisław Lem nie przewidział, że komputery zamiast wysłać nas masowo w kosmos, masowo ogłupiają nas grami oraz schamiają równie masowo w mediach społecznościowych. Jaka zatem przyszłość czeka komputery kwantowe i nas z nimi oraz ich niewyobrażalnie większą mocą obliczeniową?

Tu nie są potrzebne żadne klucze do szyfrowania, przekazywane szpiegom w wydrążonych kamieniach przy rozstajnych drogach donikąd. Wystarczy dać – tłumaczył prof. Bartnik – ogłoszenie płatne w „New York Times” treści następującej: „Uwaga szpiedzy polscy w USA, od dziś stosujemy do szyfrowania RSA następujący klucz…” (i tu podajemy ową liczbę 400-cyfrową, która jest iloczynem). Ci, co zaszyfrowali, nie będą umieli z powrotem tego odcyfrować. Nikt nie potrafi, tylko osoba, która zna owe dzielniki wybrane z góry.

Szanowni Państwo, tak są zabezpieczone wszystkie wasze pieniądze, których nie trzymacie w skarpecie w bieliźniarce! Właśnie dlatego, że dla dziś istniejących komputerów rzecz cała jest nie do złamania. Aby ukraść nam pieniądze czy dane z banku, trzeba się po prostu włamać na nasze konto, czyli przejąć zaszyfrowane zabezpieczenia. Ich formę niezaszyfrowaną znamy wyłącznie my. Proste – z kluczem dostępnym publicznie, piękne i nie do złamania w istniejących, dostępnych powszechnie technikach obliczeniowych.

Tu wreszcie trzeba dodać, że na szczęście możemy spać spokojnie, bo od lat powstają algorytmy szyfrowania odporne na ataki z wykorzystaniem komputera kwantowego. Tak więc zanim komputery kwantowe osiągną możliwości, które pozwolą im łamać szyfry, instytucje finansowe oraz IT wymienią algorytmy na lepsze, realizowane z użyciem istniejącego sprzętu. Hasło to „kryptografia postkwantowa”.

Bitowe gender

Szybszych superkomputerów, w oparciu o procesory zbudowane z mikroobwodów krzemowych „drukowanych” przez roboty, nie da się zrobić. Za co odpowiada znów ta niezrozumiała dla większości z nas fizyka kwantowa. Prosto a obrazowo rzecz całą wykładając jest tak, że jak elektrony biegną po owych „wydrukowanych” dla nich krzemowych dróżkach z półprzewodników, to jeśli te dróżki byłyby jeszcze gęściej położone niż są dziś, to elektrony zaczną mimo woli (zwłaszcza zaś wbrew naszym najszczerszym chęciom) przeskakiwać pomiędzy sąsiednimi dróżkami. No nie da się zanieść żadnej informacji w stanie „obwód zamknięty” – 0 i „obwód otwarty” – 1, jeśli elektrony będą skakały niczym króliki, zamiast iść karnie i w porządku po ustalonym dla nich odgórnie obwodzie logicznym.

Najpierw wyjaśnię zatem, dlaczego technicznie ten kwantowy komputer może być szybszy od tego krzemowego, zero-jedynkowego. W komputerze „klasycznym” jest bit, czyli bardzo upraszczając: przewodnik, w którym prąd albo płynie, albo nie – 1 lub 0. Specjalna bramka logiczna jest albo otwarta – prąd płynie, albo zamknięta – nie płynie. Natomiast jeden bit komputera kwantowego (q-bit) ma tych możliwych stanów znacznie więcej.

Rozważmy np. najprostszy model, czyli spin elektronu. W szkole nas uczyli, że może być w górę albo w dół. No ale w rzeczywistości spin może być pod różnym katem, ergo – liczyć trzeba wszelkie stany pośrednie miedzy „w dół” a „w górę”. Z punktu widzenia obserwatora istnieje jakieś konkretne prawdopodobieństwo, że spin jest w danym konkretnym kierunku. Np. bardzo małe, że w górę i bardzo wielkie, że w dół. W q-bicie jednak jest ono niejako wyrażone łącznie, jako całościowe prawdopodobieństwo. A zatem takich stanów zamiast dwóch jest teoretycznie nieskończenie wiele. Czyli jeśli mamy 10 klasycznych bitów, to mamy 2 do potęgi 10 (1024) możliwości ustawienia cyfr 0 i 1 w 10 par (kombinacji dziesięciobitowych). Dla 10 kubitów te bazowe stany mogą wystąpić z różnymi prawdopodobieństwami jednocześnie.

Komputer kwantowy składa się ze zbioru kubitów. Kubitami są cząstki elementarne, np. fotony lub elektrony. Pierwsze realizacje kontrolowanych obliczeń kwantowych zaprezentowano w 1995 roku. Jednocześnie w kilku ośrodkach udało się skonstruować kwantowe bramki, które przetwarzałyby informacje z wykorzystaniem kubitów [4]. W 2001 roku grupa informatyków z IBM i Uniwersytetu Stanford zademonstrowała rozkład na czynniki pierwsze na 7-kubitowym komputerze kwantowym, opartym o jądrowy rezonans magnetyczny. Dokonano wtedy rozkładu liczby 15 = 3 x 5. Natomiast faktoryzacji liczby 21 dokonała inna grupa badaczy w roku 2011. IBM wprowadził w styczniu 2019 roku komercyjne kwantowe rozwiązanie IT (w chmurze). Usługa IBM Q ma do dyspozycji kwantowe komputery wyposażone w 20-kubitowy procesor. W kwantowym wyścigu uczestniczą też inni giganci rynku IT, chociażby Google.

Teoretycznie to dość proste, choć już i na tym poziomie wymaga innych interfejsu, konstrukcji, języków programowania, rozwiązań teoretycznych i techniczno-inżynieryjnych, niż klasyczny procesor bitowy. Co z kolei wyjaśnił mi dr inż. Grzegorz Kasprowicz z Politechniki Warszawskiej, specjalista od systemów elektronicznych. Konstruktor i współtwórca „magnetycznej pułapki na antymaterię” (brzmi jak science fiction, ale rzecz powstała i działa w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN!) i innych fantastycznych wynalazków, urządzeń niezbędnych do pracy np. tokamakom, maszynom do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej, które są częścią elektrowni przyszłości. Nazwy i opisy tych urządzeń wprost mnie wyrzucają z kapci. Inż. Kasprowicz dziś współtworzy zespół opracowujący kluczowe komponenty komputerów kwantowych. Rzecz cała jest tajna przez poufna ze względu na oczywiste, potencjalne zastosowania militarne, zatem wielu szczegółów nie można poznać, ale potencjał jest i ja osobiście żywię nadzieję, że owa konstrukcja w Polsce powstanie i zostanie wdrożona.

Teoria wielkiej technologii

Komputer kwantowy jest między innymi instrumentem, dzięki któremu do przodu pójdzie sama fizyka kwantowa czy fizyka cząstek elementarnych oraz astrofizyka. Tajemnice ciemnej materii i energii we wszechświecie też czekają na swoje rozwiązanie. Aparatura dla nauki jest niezbędna – to dzięki niej powstają nowe odkrycia. Konkretne nowe urządzenia były niezbędne, by np. wreszcie odkryć bozon Higgsa – złotego Graala fizyki wysokich energii [5]. Dziś nauka woła o komputer kwantowy równie usilnie, co wojsko, a zwłaszcza specjaliści od kryptografii.

– Gdy technologia nie daje rady i trzeba eksplorować nieoczywiste kierunki, wtedy jest miejsce na innowacje – podkreślił inż. Kasprowicz. Fizycy swoimi teoriami i wyliczeniami wyznaczają granice możliwości, o czym dowcipnie przekonywał amerykański serial komediowy „Teoria wielkiego podrywu” (Big Bang Theory – tytuł nawiązywał do Wielkiego Wybuchu, najwcześniejszego wydarzenia jakie znamy w obserwowanym wszechświecie). Ale granice są też wyznaczane rozwojem technologii. Trzeba umieć też zgrabnie połączyć ze sobą różne dostępne technologie, aby osiągnąć zamierzony cel. Są dziś, jak zapewnia inżynier, np. miniaturowe chłodziarki kriogeniczne „do postawienia na stole”, pozwalające schładzać układy elektroniczne. A komputer kwantowy nie tyle bardzo się grzeje, co działa dzięki owym opisanym wyżej stanom pośrednim cząstek elementarnych, a te są ulotne jak mgiełka – szalenie krótkotrwałe. Schładzając, niejako je „zamrażamy”, czyli wydłużamy ich niezbędne nam „życie”.

Komputer kwantowy brzmi jak pieśń przyszłości, ma jednak historię niemal tak długą, jak fizyka kwantowa. W grudniu 1900 roku Max Planck opublikował pierwszą pracę, w której pojawiło się pojęcie „kwant energii”. Wyraża ono myśl, że energia wbrew pozorom nie przypomina np. ciągłego strumienia wody, tylko niejako zbiór pojedynczych kropel. Energia przepływa w maleńkich porcjach – czyli wspomnianych kwantach. W ciągu bez mała pół wieku geniusze pokroju Alberta Einsteina (zaproponował kwanty światła, zwane dziś fotonami), Nielsa Bohra (stworzył kwantowy model atomu) i Erwina Schrödingera (na jego równaniu się to wszystko dalej oparło) oraz ich koledzy po fachu, uczniowie i następcy sprawili, że fizyka już nigdy nie była taka sama.

Mechanika Newtonowska – jakże doskonała w swej prostocie przewidywania, kiedy zderzą się te nieszczęsne dwa pociągi wyjeżdżające z miast A i B, pędzące naprzeciw siebie po tym samym torze z prędkościami podanymi w zbiorze zadań do klasy 7 – stała się jedynie niewielką częścią gigantycznego obrazu wszechświata. Okazało się bowiem, że pewne jest tylko prawdopodobieństwo tego zderzenia, nie zaś ono samo. Zwłaszcza, jeśli mają się ze sobą zderzać cząstki elementarne, a nie pociągi, których ruch mechanika newtonowska przybliża niemal doskonale. Stało się to dla większości z nas, nawet tych jakoś radzących sobie z owymi pociągami z podstawówki, bardzo trudne do pojęcia i jeszcze trudniejsze do policzenia.

Najpiękniejszy paradoks tej historii polega właśnie na tym, że to teoria mechaniki kwantowej jak najbardziej potrzebuje do swego dalszego rozwoju komputera kwantowego. Jak wyjaśnił mi inny uczony – tym razem dr hab. Adam Sawicki, fizyk teoretyk zaangażowany w polski projekt komputera kwantowego, profesor Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i dyrektor tej jednostki badawczej – mechanika kwantowa rozwijana była latami, a jednak nadal jest morderczo trudna do liczenia. Wyobraźmy sobie: jeśli przyjmiemy, że cząsteczka, której stan chcemy poznać, to pojedynczy elektron, to on ma dwa możliwe stany (zwane spinem), czyli 2 do potęgi 1. Jeśli jednak badana przez nas cząsteczka ma 1000 elektronów, to jej stan to jeden z 2 do potęgi 1000 stanów. To się naukowo określa: liczba stanów kwantowych układu kwantowego rośnie wykładniczo z ilością cząstek. Można doskonale znać prawa mechaniki kwantowej i nadal nie móc rozwiązać jej równań, bo potrzebnej do tego mocy obliczeniowej po prostu nie ma na świecie.

Rewolucja kwantowa 1.0 była zatem udziałem niewielu. To jednak dzięki wykorzystaniu zjawisk mechaniki kwantowej w brutalnej codzienności wojny, Stany Zjednoczone wyprodukowały bomby atomowe, które zrzuciły na dwa japońskie miasta. I tak oto zostały wielkim zwycięzcą II wojny światowej, jak i powojennego ładu. Rzecz nie jest wyłącznie teoretyczną sztuką dla sztuki. Jak opowiedział mi profesor Sawicki, tu się okazało, że to, co jest największym przekleństwem (czyli owo kwantowe prawdopodobieństwo, że coś jest gdzieś, zamiast newtonowskiej pewności, że jest właśnie tam, gdzie dokładnie policzyliśmy z prostego wzoru) może być największym błogosławieństwem. Bo będzie stanowić podstawę technologii obliczeniowych miliony razy szybszych, niż rewolucja krzemowa była w stanie zaproponować.

W latach 80. XX wieku, kiedy nikt jeszcze nie myślał, że dobijemy do ściany z szybkością procesorów krzemowych, co dziś ma miejsce, w USA jeden z 10 największych fizyków wszechczasów, noblista Richard Feynman miał myśl zaprzęgnięcia zjawisk kwantowych do liczenia. I zaproponował: „Niech dla nas liczą te wszystkie stany pośrednie – cała ta chmura prawdopodobieństwa, że ów elektron jest gdzieś”. Ta „jednoczesna” obecność w wielu różnych miejscach z różnymi prawdopodobieństwami nazywa się superpozycją stanów. Tak rozpoczęła się rewolucja kwantowa 2.0.

Popandemiczny wyścig kwantowy

Jak wyjaśnia dalej profesor Sawicki, dziś jest to wyścig po nowe przywództwo i suwerenność. Jego liderem, przynajmniej jeśli chodzi o konstrukcje komputera kwantowego, są Stany Zjednoczone, tuż za nimi gonią Chiny. Inne technologiczne wykorzystania mechaniki kwantowej – a to w telekomunikacji, a to w szyfrowaniu, a to w technologiach optycznych – bywają szybko rozwijane przez inne państwa, m.in. Niemcy. Polacy są wśród liderów jeśli chodzi o badania teoretyczne w tym zakresie, także badania nad specjalnymi językami kodowania oraz programami niezbędnymi dla komputerów kwantowych.

W badaniach o znaczeniu strategicznym, czyli mających potencjał wywrócić świat i postawić na zupełnie innych nogach (rewolucja kwantowa 2.0, sztuczne inteligencje, energetyka termojądrowa, neuronauki, biotechnologia, w tym szczepionki nowych generacji) nie da się funkcjonować od grantu do grantu. Żeby badać superpozycję i później korzystać z potencjalnych owoców mechaniki kwantowej, środki powinny być oznaczone i pewne, nie zaś jedynie prawdopodobne i mgliste jak orbita elektronu. To przecież łatwiejsze do pojęcia, niż to, czy kot Schrödingera zamknięty w pudełku jest żywy czy martwy, skoro w danym momencie nie otwieramy pudełka. Trzeba zrobić wszystko, choćby korzystając ze środków na odbudowę po pandemii, aby umożliwić nasz stabilny udział w tym wielkim wyścigu, który de facto już trwa.

Przykłady takich programów istnieją: w listopadzie 2018 r. Unia Europejska zainicjowała 10-letni Quantum Technologies Flagship, z ponadmiliardowym budżetem, dla zapewnienia Europie roli lidera w technologiach kwantowych. W lipcu 2019 r. ówczesny minister nauki i szkolnictwa wyższego podpisał deklarację dotyczącą włączenia się Polski w prace na rzecz powstania sieci EuroQCI, dzięki której państwa europejskie będą mogły komunikować się w sposób zapewniający maksymalne bezpieczeństwo – co pociąga za sobą konsekwencje finansowo-organizacyjne. Także oczywiście Kongres Stanów Zjednoczonych przyjął National Quantum Initiative Act. W lipcu 2020 r. niemiecka minister badań zapowiedziała przeznaczenie 2 mld euro z niemieckiego Funduszu Wsparcia po pandemii na badania prowadzące do stworzenia eksperymentalnego komputera kwantowego. W styczniu 2021 r. prezydent Emmanuel Macron w paryskim Centrum Nanonauki i Nanotechnologii zadeklarował, że w ciągu najbliższych pięciu lat jego kraj zainwestuje 1,8 mld euro (1 mld z budżetu, 800 mln m.in. z pieniędzy unijnych i od przedsiębiorstw) w rozwój technologii kwantowych.

Powstają technologie i czasem przewracają świat, tak, że staje na zupełnie innych nogach. Druk, maszyna tkacka, maszyna parowa, lampa naftowa, elektryczność, energia atomowa, tranzystor, krzemowy obwód scalony, PCR... Po każdym z tych wynalazków nic już nie było takie samo, a wygrał w wyścigu o światowe przywództwo ten, kto je wymyślał lub umiał genialnie skomercjalizować. Kluczem do przyszłości jest uczestniczenie w rewolucjach technologicznych, a nie przesypianie ich. W rewolucji przemysłowej nie uczestniczyliśmy, bo zabory, w krzemowej – bo komunizm. Teraz jednak, gdy jesteśmy już wolnym państwem, kolejna rewolucja nie może odjechać nam sprzed nosa. Rewolucja kwantowa 2.0.

– Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy