Kubit - początek nowej ery informatyki
Komputery kwantowe licznie pojawiały się w literaturze sci-fi. O ich potężnych możliwościach pisał m. in. Tom Clancy w „Kwantowym ataku”. Era informatyki kwantowej nadchodzi coraz szybciej. Dzięki rozwiązaniom opisanym w poniższym artykule zrozumiesz dlaczego obecne komputery posiadają tak wiele ograniczeń i poznasz podstawowe różnice między jednostkami takimi jak kubit oraz bit. Tekst został opracowany przez działaczy Koła Naukowego Qubit.
Różnice między bitem a kubitem – właściwości kubitu
Podstawową rzeczą odróżniającą klasyczną informatykę od informatyki kwantowej są najmniejsze jednostki informacji, na których operują. W pierwszym przypadku mówimy o bicie, który może przyjmować wartości 0 albo 1. Natomiast w informatyce kwantowej, sprawa jest trochę bardziej skomplikowana. Operuje ona na kubitach (ang. qubit od quantum bit), które od zwykłych bitów różnią się dwoma własnościami: superpozycją i splątaniem.
Superpozycja Kubitu
W przeciwieństwie do zwykłych bitów, kubit nie musi przyjmować wartości tylko 0 albo tylko 1, może on być równocześnie 0 i 1. Właśnie taki stan kubitu nazywamy superpozycją. Może też być ,,bardziej’’ 1 a ,,mniej’’ 0 i odwrotnie – wszystko zależy od tego w jakim stanie go aktualnie potrzebujemy. Ale co to właściwie znaczy, że kubit jest w dwóch stanach na raz? Załóżmy, że mamy kubit, który jest w stanie superpozycji stanów 0 i 1 „po równo”. Oznacza to, że po zmierzeniu stanu kubitu, w 50% przypadków otrzymamy stan 0 i w 50% przypadków stan 1. Tak właśnie rozumiemy stan superpozycji – mówi nam ona o prawdopodobieństwie otrzymania danego stanu kubitu przy pomiarze.
splątanie Kubitu
Druga własność odróżniająca bit klasyczny od bitu kwantowego to splątanie. Dla niektórych może się ona wydawać jeszcze bardziej nieprawdopodobna niż superpozycja, lecz udowodniono już nie raz, że taka własność zachodzi. Polega ona na tym, że kiedy dwa kubity są ze sobą splątane i zmierzymy stan jednego z nich, to drugi natychmiast znajdzie się w stanie odpowiadającym splątaniu. Przyjmijmy jeden z możliwych sposobów splątania, w którym kubity zawsze są w tym samym stanie po pomiarze. Jeżeli teraz mierząc pierwszy kubit otrzymaliśmy stan 1, automatycznie wiemy, że stan drugiego kubitu też jest 1. Tak samo z 0. Konkretny rodzaj splątania kubitów można uzyskać poprzez użycie odpowiednich bramek na obwodzie kwantowym. Oczywiście w splątaniu nie muszą brać udziału tylko dwa kubity, może być ich więcej.
korzyści wynikające z podejścia kwantowego
Komputery klasyczne są obecnie o wiele bardziej rozwinięte niż ich kwantowe odpowiedniki. Są wykorzystywane wszędzie, radzą sobie z różnymi klasami problemów i od wielu lat stanowią źródło wielu innowacji w technologii zaczynając od miniaturyzacji a kończąc na algorytmach sztucznej inteligencji. W takim razie, możemy się zastanowić, jakie korzyści daje nam podejście kwantowe? Algorytmy kwantowe mają dla pewnych problemów dużo mniejszą złożoność obliczeniową niż odpowiadające im algorytmy klasyczne. Idąc dalej, możemy wyróżnić problemy, których komputer klasyczny nie byłby w stanie rozwiązać w realnym dla człowieka czasie, w przeciwieństwie do komputera kwantowego. W takiej sytuacji możemy mówić o tak zwanej kwantowej supremacji.
supremacja kwantowa - pierwsze osiągnięcia
Pierwszymi, którzy ogłosili, że udało im się osiągnąć kwantową supremację byli naukowcy z Google w 2019 roku. Ich algorytm polegał na wykonywaniu losowych działań na kubitach, a następnie odczytaniu ich wyników. W kolejnym kroku wygenerowany w ten sposób ciąg cyfr weryfikowano pod kątem losowości. Obliczenia na komputerze kwantowym zostały wykonanie w czasie 3 minut i 20 sekund. Google ogłosiło, że najlepszy klasyczny superkomputer wykonałby te obliczenia w czasie 10 tys. lat. Jednak w późniejszym czasie IBM oświadczył, że można wykonać te obliczenia na superkomputerze w dwa i pół dnia przy użyciu innej klasycznej techniki. W 2020 roku naukowcy z Chin również ogłosili, że udało im się osiągnąć kwantową supremację – ich komputer kwantowy Jiuzhang potrzebował 200 sekund na wykonanie obliczeń, które okazały się być 100 bilionów razy szybsze od obliczeń wykonanych na najszybszych superkomputerach. Innym przykładem obrazującym przewagę komputera kwantowego jest problem rozkładu liczby na czynniki pierwsze. Nie istnieje klasyczny algorytm, który rozłożyłby bardzo dużą liczbę na czynniki pierwsze w satysfakcjonującym nas czasie, natomiast istnieje kwantowy algorytm faktoryzacji Shora, który rozwiązuje ten problem znacznie szybciej.
Podsumowanie
Podsumowując, komputery kwantowe mogą znacznie przyspieszyć rozwiązywanie pewnych problemów, które aktualnie są dla nas w niektórych przypadkach nieosiągalne.
Źródła
- E. Gibney. Hello quantum world! Google publishes landmark quantum supremacy claim. Nature. https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z, październik 2019
- J. Martinis. Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor. Google. https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html, październik 2019
- R. Letzter. China claims fastest quantum computer in the world. Live Science. https://www.livescience.com/china-quantum-supremacy.html, grudzień 2020
- P. Ball. Physicists in China challenge Google’s ‘quantum advantage’. Nature. https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7, grudzień 2020
- J. Loeffler. How Peter Shor’s Algorithm Dooms RSA Encryption to Failure. Interesting Engineering. https://interestingengineering.com/how-peter-shors-algorithm-dooms-rsa-encryption-to-failure, maj 2019
- A. Montanaro. Quantum algorithms: an overview. Nature. https://www.nature.com/articles/npjqi201523, styczeń 2016
Na zakończenie
Autorzy
- Konrad Mickiewicz
- Jakub Opala
- Jakub Oszust
- Paulina Prusik