W laboratoriach Google'a i IBM rozpoczął się wielki wyścig

Patricia Fernández de Lis, El Pais, gazeta.pl, 6/25/2020

Laboratorium znajduje się w ustronnym miejscu – w małym anonimowym biurze. Panuje w nim atmosfera dość chaotyczna, trochę vintage. Wszędzie leżą kable, śrubokręty, części komputerowe, rozmontowane komputery oraz tablice z formułami matematycznymi. Trudno uwierzyć, że to tu, około dwóch godzin drogi samochodem z Los Angeles, dokonał się technologiczny wyczyn, który znalazł się na pierwszych stronach wszystkich gazet. To właśnie tutaj, w laboratorium Google’a w Santa Barbara, prototypowy komputer kwantowy wykonał w 3 minuty i 20 sekund operację obliczeniową, która najszybszemu obecnie komputerowi świata zajęłaby tysiące lat.

Wewnątrz czerwonej konstrukcji przypominającej żyrandol znajduje się procesor kwantowy, który po raz pierwszy wykazał „supremację kwantową” (tj. rozwiązał problem, który jest obecnie poza zasięgiem współczesnych superkomputerów). Osiągnięcie tego celu dla Sergio Boixo, kierownika grupy naukowej zajmującej się technologią kwantową, było niczym pierwszy lot braci Wright – wciąż jeszcze dość skromny krok, ale torujący drogę całemu nowemu przemysłowi, który dogłębnie zmieni społeczeństwo, w którym żyjemy.

Konkurenci twierdzą, że takie porównanie jest przesadne, gdyż do rewolucji kwantowej jest wciąż daleko, ale wszyscy eksperci są zgodni co do tego, że kiedy ona wreszcie nastąpi, rzeczywiście zmieni całkowicie wszystko.

Alicja w krainie kwantów

Jest to opowieść o świecie tajemniczym i fascynującym, gdzie powszechnie znane nam prawa fizyki – takie, które opisują odbijanie się piłki czy spadanie jabłka – nie działają. – Świat subatomowy jest swego rodzaju krainą czarów, miejscem przedziwnym, w którym Alicja mogłaby się znaleźć naraz w dwóch pozornie sprzecznych sytuacjach – wyjaśnia Andrés Cassinello, autor „La realidad cuántica” (Kwantowa rzeczywistość). – Gdzie to, co się robi w jednym miejscu, może mieć natychmiastowy skutek w miejscu znajdującym się daleko i gdzie nie można nawet patrzeć bezkarnie, gdyż to spojrzenie zmienia obserwowany przedmiot.

Google pokazuje niezwykłe moce swojego komputera kwantowego. "To jak lot samolotu braci Wright"
Ale jest to również opowieść o prekursorach, którzy chcą stworzyć najpotężniejszy komputer w historii ludzkości. W wyścig do stworzenia komputera kwantowego państwa takie jak Chiny i USA oraz firmy takie jak Google i IBM zainwestowały już miliardy dolarów. W tym wyścigu chodzi o zbudowanie takiego samochodu, którego zadaniem nie jest wyprzedzenie pozostałych, ale dotarcie do mety w momencie startu. To jest właśnie to, co Juani Bermejo, naukowiec z Universidad de Granada, nazywa „mocą kwantową”.
Komputery, które znamy, pracują z bitami binarnego programowania 0 albo 1. Ale bity kwantowe, tzw. kubity, charakteryzują się trzema cechami, które sprawiają, że są one wyjątkowe.

Jedną z nich jest superpozycja, dzięki temu kubit może być jednocześnie zerem i jedynką, co znacząco pomnaża moc obliczeniową. – Jest to sytuacja podobna do tej, gdy rzucimy monetą, a ta nie padła ani na orła, ani reszkę, tylko wciąż się kręci na stole – jak wyjaśnia dyrektor badawczy IBM Dario Gil. Drugą cechą charakterystyczną jest „stan splątany”: kubity muszą być ze sobą skorelowane, tworzyć jeden całościowy stan. Nie są osobnymi bytami. Przywołując przykład podany przez Gila, jeśli dwie „splątane” monety kręcą się, to ich stany są skorelowane wzajemnie. Jeśli na jednej zobaczymy orła, to na drugiej będzie orzeł, a jeśli reszkę, to na drugiej będzie reszka. Trzecia cecha – interferencja – jest taka jak w morskich falach, które mają swoje szczyty i doliny mogące się nakładać na szczyty i doliny innych fal.
Ta wyjątkowa kombinacja cech, całkowicie sprzeczna z intuicją, sprawia, że kwantowość nie jest jedynie kolejną kategorią znanej nam informatyki. – Znajdujemy się w najbardziej ekscytującym momencie od pół wieku – wyjaśnia Gil, który jest pierwszym Europejczykiem kierującym jednostką badawczą IBM.

Co zmienią komputery kwantowe? Wszystko
Są rzeczy, które klasyczne komputery robią bardzo dobrze i które superkomputery robią jeszcze lepiej. Ale komputery kwantowe znajdują się w całkowicie innym wymiarze, dlatego też nie dowiemy się dokładnie, jakie będą ich możliwości, dopóki nie zostaną dopracowane do swojego pełnego potencjału. Jednak można przewidzieć, co będą w stanie dla nas robić. Najlepiej przewidywalne pola ich działalności to te, w których prawa kwantowe działają na pograniczu naszej rzeczywistości: w fizyce i chemii. Komputery kwantowe mogłyby symulować nowe cząsteczki dla przemysłu farmaceutycznego, co pomogłoby np. w opracowaniu leków w błyskawicznym tempie w przypadku pandemii takiej jak COVID-19. Mogłyby również poszerzyć naszą wiedzę na temat tego, jak powstał wszechświat, odkryć nowe materiały, ulepszyć baterie samochodów elektrycznych albo zwiększyć wydajność produkcji energii elektrycznej. Innym przykładem może być poprawa właściwości wiązania azotu przy produkcji nawozów, która odpowiada za ponad 2 proc.

światowej emisji CO2.


Chodzi o to, że klasyczna informatyka wykorzystuje ten sam rodzaj zasad, które znamy od czasów wynalezienia liczydła. Jak wyjaśnia Boixo: – Oczywiście, dokonał się niesamowity postęp technologiczny i inżynieryjny, gdyż liczydło składa się z kilku elementów, które poruszane są za pomocą rąk, a superkomputery mają biliony części pracujące miliardy razy w ciągu sekundy. Ale podstawowe działania są takie same. Teraz natomiast mamy nową metodę obliczeń, która różni się od tej opracowanej 3 tys. lat temu.
Gil się z tym zgadza:

– Istnieją na świecie rodzaje problemów, których nie jesteśmy w stanie skutecznie rozwiązać za pomocą klasycznego komputera. Ani teraz, ani za 20 mld lat – po prostu nigdy. Nie twierdzimy, że kwantowość rozwiąże wszystkie najtrudniejsze problemy, ale jest jedyną technologią, która daje szansę na rozwiązanie tego, co jest w ogóle możliwe do rozwiązania.

Dwa wybrzeża

Z Gilem rozmawiamy na korytarzach imponującego budynku IBM Research w Yorktown Heights – półtorej godziny jazdy samochodem z Nowego Jorku. Ten gigantyczny gmach, który znajduje się na wzgórzu otoczonym lasami, w niczym nie przypomina maleńkiego laboratorium Google’a oddalonego o prawie 5 tys. km. Nie tylko budynki się różnią – IBM może się poszczycić również 109-letnią historią, sześcioma Nagrodami Nobla dla zatrudnionych tu naukowców i 4 tys. pracowników w dziale badawczo-rozwojowym na całym świecie (choć firma nie wyjawia, ile z tych osób pracuje nad technologią kwantową). Posiada obecnie 16 systemów kwantowych w chmurze z 220 tys. użytkowników z ponad 100 organizacji, którzy napisali ponad 225 prac naukowych w swoich powiązanych systemach. Oraz Q System One, maszynę zaprezentowaną w zeszłym roku, która zostanie zainstalowana w Japonii w ramach współpracy z Uniwersytetem w Tokio, a także w Niemczech w Fraunhofer-Institute.

Po drugiej stronie USA Boixo szczyci się procesorem Google’a, który wykazał supremację kwantową – pierwsze takie osiągnięcie w historii. – Zaczęliśmy robić obliczenia trzy lata temu. Naszym zamiarem było udowodnienie, że naprawdę istnieje inna metoda obliczeń i że działa w praktyce. Uważamy to za niezwykle ważny krok w historii informatyki – wyjaśnia naukowiec.
Żadne z liczb IBM ani też osiągnięcie Google’a nie robią wrażenia na Juanie Ignacio Ciracu. Hiszpański badacz, dyrektor Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka, jest jedną z najważniejszych osób na świecie zajmujących się mechaniką kwantową. – To, co mamy, to nie są jeszcze obliczenia kwantowe. Ten moment, który będzie miał ogromne skutki społeczne i cywilizacyjne, jest wciąż odległy – komentuje naukowiec i wyjaśnia: – Jeśli byliście w laboratoriach IBM albo Google’a, to widzieliście, że ich procesory mają bardzo dużo kabli, ale to tylko po to, by sterować 50 kubitami. Kluczem jest przejście z 50 do 50 mln kubitów. A to jest jeszcze daleka przyszłość.
Jak wyjaśnia Cirac, maksymalna liczba kubitów osiągnięta na chwilę obecną przez IBM i Google’a wynosi ok. 50, co jest kroplą w morzu, a badacze nie mogą jej zwiększyć ot tak. Kwantowe procesory są wyjątkowo delikatne. Znajdują się w ściśle kontrolowanych, odizolowanych laboratoriach, które są otoczone złożoną technologią zapewniającą ich działanie.

Kruchy jak kwanty

Antonio Córcoles, badacz z grupy kwantowej w IBM Research w Yorktown Heights, wyjaśnia, co się dzieje w tym pięknym żyrandolu otoczonym przewodami: nadprzewodniki muszą być schładzane, ponieważ całe ciepło w systemie przekłada się na szum, który może spowodować błędy. Procesor kwantowy znajduje się w dolnej części, tej najchłodniejszej – jest tam mniej więcej 250 razy chłodniej niż na zewnątrz. Stąd właśnie rozmiary całego systemu i liczba kabli. Wszystko to wyjaśnia, dlaczego nie można znacznie zwiększyć liczby kubitów. Cały problem polega na tym, by drastycznie nie zwiększyć rozmiarów systemu oraz liczby podłączonych kabli, ale by utrzymać stabilność i nie zwiększać błędów, gdyż komputer działający z błędami, nawet kwantowy, jest bezużyteczny.

– Przy przejściu ze skali 50 do 1 miliona kubitów pojawia się wiele trudnych do wyeliminowania błędów. Chcemy zwiększać tę liczbę, ale poziom błędów musi być zredukowany – mówi Boixo z laboratorium Google’a. Z tego właśnie powodu procesory kwantowe wykonują na razie bardzo proste zadania; jest to faza „niemowlęctwa” i według ekspertów dojście do „dorosłości” może zająć do 30 lat.

– W technologii jest niezwykle trudno robić prognozy dłuższe niż dziesięć lat. A żeby przewidzieć, kiedy komputery kwantowe będą wydajne, trzeba najpierw opracować technologię korekcji błędów, której na razie nie ma – wyjaśnia Juani Bermejo, specjalista rachunku kwantowego z programu Athenea3i-Marie Curie.
Dla człowieka 30 lat to pół życia. Ale dla dużych firm, ośrodków badawczych i rządów ta perspektywa oznacza, że już najwyższy czas, by przygotować się na epokę kwantową. Federico Carminati jest dyrektorem ds. innowacji w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN, największym na świecie laboratorium fizyki cząstek – swego rodzaju katedry nauki, gdyby nauka wierzyła w Boga.

CERN pracuje już nad rachunkiem kwantowym z firmami takimi jak IBM, Google, Intel, Microsoft, a Carminati wyjaśnia dlaczego: – Jeśli zapytacie mnie, czy era kwantowej techniki obliczeniowej się zbliża, to powiem, że tak. Ale pytanie brzmi: kiedy. Tymczasem ważne jest, żeby chociaż kilka osób zrozumiało i wiedziało, czym są obliczenia kwantowe i jak je stosować. Jeśli ta era się nie ziści, to będzie to tylko ciekawa przygoda intelektualna. A jeśli się ziści, to będziemy gotowi, by jej używać i ją wykorzystać.
Katie Pizzolato, dyrektor sieci klientów technologii kwantowej IBM, wyjaśnia, że praca firmy z klientami, którzy już używają ich technologii kwantowej w chmurze – firmy farmaceutyczne, samochodowe, finansowe oraz sama CERN – różni się od tradycyjnych modeli. – Mówią nam: „To są zagadnienia, które mogą być interesujące, kluczowe lub problematyczne w naszym sektorze. Jak możemy podejść do tych tematów z perspektywy kwantowej? Ja pytam ich, co chcieliby teraz robić, ale nie są w stanie, gdyż możliwości obecnej technologii na to nie pozwalają. I właśnie tak zaczęliśmy pracować – dodaje.

Nowa zimna wojna

Firmy inwestują ogromne sumy w tę wciąż niezwykle kosztowną technologię. Ani Google, ani IBM nie ujawniają konkretnych kwot, ale ich klienci wiedzą, ile wydają. Jednak wystarczy spojrzeć na jedną informację, by mieć jakiś pogląd: kwantowy prototyp 2000Q firmy D-Wave kosztuje 15 mln dol.
Według danych portalu Statista w 2017 r. firmy z kapitałem podwyższonego ryzyka zainwestowały miliard dolarów w niedawno powstałe start-upy. W tym samym roku zgłoszono 925 patentów związanych z technologią kwantową – dwa razy więcej niż rok wcześniej.

Takie duże zainteresowanie tą technologią sprawiło, że coraz częściej poszukuje się specjalistów kwantowych, których jeszcze nie ma w takiej liczbie, jaka byłaby potrzebna.
– W niektórych firmach zatrudnia się studentów bez doktoratów. Trudno jest ich kształcić, gdyż niewielu uniwersyteckich profesorów ma na ten temat pojęcie. Jeszcze do niedawna my, specjaliści od kwantów, byliśmy uważani za uniwersyteckich freaków. Trzeba kształcić ludzi, żeby oni mogli kształcić innych – wyjaśnia Bermejo.

Cirac mówi, że jego ośrodek zaczyna już oferować studia magisterskie z zakresu obliczeń kwantowych, a nawet niektóre uniwersytety podejmują pierwsze kroki w tym kierunku.
Według firmy konsultingowej BCG biznes kwantowy do 2035 r. może osiągnąć skalę 60 mld dol., a rządy chcą wziąć udział w tej rewolucji. Szlaki przecierają Chiny. Ich laboratorium do badań kwantowych zainwestuje 10 mld dol. do końca tego roku. W zeszłym roku USA ogłosiły swoją państwową strategię, w ramach której zamierzają zainwestować 1,2 mld dol. do 2023 r. A już w 2016 r. UE postanowiła wydać w ciągu dekady 1 mld dol. Nie chodzi tylko o to, by posiąść potężne komputery, które mogą dokonać wyjątkowych odkryć, ale też o to, by ukryć swoje tajemnice przed potencjalnymi kwantowymi rywalami.
Kolebką technologii kwantowej jest kryptografia. Dzisiejsze systemy bezpieczeństwa są chronione kluczami kryptograficznymi, które można w pewnym stopniu rozszyfrować w zależności od ich złożoności i zdolności hakera. Ale technologia kwantowa całkowicie zmienia zasady gry, dlatego też należy opracować nowy protokół bezpieczeństwa, żeby chronić dane – zarówno te przyszłe, jak i te obecne. – Problem faktycznie istnieje i musi się jak najszybciej podjąć odpowiednie kroki. Przechowywanie danych jest bardzo tanie, zatem inteligentny haker albo konkurencyjny rząd może zapisać wasze zaszyfrowane dane i w przyszłości wykorzystać komputer kwantowy, by bez problemu rozszyfrować dane z przeszłości – wyjaśnia Gil.
Chiny już ogłosiły, że do 2035 r. chcą się stać liderem kwantowym, i pracują nad nieprzenikalną siecią komunikacyjną, na której przeprowadzono już pierwsze testy. Chińskie posunięcie zdenerwowało niektórych amerykańskich senatorów, którzy popychają rząd Trumpa do dokonania własnych inwestycji.

„Tak jak broń jądrowa symbolizowała władzę podczas zimnej wojny, tak możliwości kwantowe określą być może hegemonię w gospodarce, coraz bardziej cyfrowej, globalnej i powiązanej” – napisał republikański senator Will Hurd w magazynie „Wired”.

To właśnie dlatego firmy apelują, by jak najszybciej został wprowadzony nowy protokół bezpiecznego szyfrowania. Każdy dzień szyfrowania według systemu z przeszłości pozostawia niezliczoną liczbę danych podatnych na technologię deszyfrowania z przyszłości.
Ta nowa przyszłość, której możliwość zaczynamy dostrzegać dopiero teraz, może ucierpieć przez coś, co eksperci nazywają „kwantową zimą” – spadkiem oczekiwań oraz inwestycji, jeśli się okaże, że technologia rozwija się wolniej, niż przewidywano, szczególnie teraz, w świetle recesji spowodowanej koronawirusem. – Wydaje mi się, że może dojść do rozczarowania, czyli zmniejszenia skali inwestycji, kiedy ludzie zdadzą sobie sprawę z tego, że zbudowanie komputerów kwantowych jest niezwykle kosztowne – mówi Bermejo. Cirac jest bardziej zdecydowany: – Jestem przekonany, że dojdzie do kwantowej zimy. Zanim będziemy mieć kwantowy komputer, minie 10, może 20 lat. W tej chwili w kwestii rachunku kwantowego mamy sytuację, którą Amerykanie nazywają „hype”. Ale z czasem dojdzie do odrodzenia.

Cały ten szum wokół nowej technologii odbije się na gospodarce, przemyśle i naszym życiu, aż dojdzie do „nowej rewolucji przemysłowej” – jak określa to zjawisko Boixo. Ale do tego czasu należy rozwiązać wiele problemów, jak np. przekształcenie naszych małych procesorów kwantowych w prawdziwe komputery kwantowe „dla dorosłych”. Trzeba również popracować nad systemem kształcenia nowego pokolenia fizyków, inżynierów i programistów.

Nie zapominając o tym, co Bermejo nazywa „odpowiedzialnymi badaniami kwantowymi”, gdyż tak potężna technologia może się również obrócić przeciwko człowiekowi. Chodzi o to, że nie powinna przypominać sztucznej inteligencji, której brakuje czynnika ludzkiego i dlatego jest dość często etycznie kwestionowana. Ale niezależnie od tego, z jakimi przeszkodami trzeba się zmagać i ile czasu to zajmie, eksperci w jednym są zgodni – ten nowy sposób rozwiązywania problemów doprowadzi do odkryć i osiągnięć, których umysł homo sapiens nie jest nawet w stanie sobie wyobrazić.

tłum. Anna Wójcicka