Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Komputery kwantowe to jeden z najbardziej gorących tematów w fizyce drugiego dziesięciolecia XXI wieku. Nie tylko dlatego, że cząstki znajdujące się – podobnie jak słynny kot Schrödingera – w superpozycji stanów stanowią źródło nieporównywalnie większej mocy obliczeniowej niż ta, którą dysponują klasyczne komputery. Ale przede wszystkim dlatego, że sama idea kwantowego komputera wpisuje się w trwającą od dziesięcioleci dyskusję o istocie naszej rzeczywistości.

Czym właściwie są komputery kwantowe i czym różnią się od komputerów klasycznych? Przede wszystkim komputery kwantowe wykorzystują właściwości bitów kwantowych, tzw. czyli kubitów (ang. qubit od quantum bit, bit kwantowy). Kubit to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej. Z fizycznego punktu widzenia kubit jest to kwantowomechaniczny układ opisany dwuwymiarową przestrzenią Hilberta, w związku z tym, różni się od klasycznego bitu tym, że może znajdować się w dowolnej superpozycji dwóch stanów kwantowych. Mówiąc inaczej, w przeciwieństwie do klasycznych komputerów, w których bity muszą mieć wartość zero lub jeden, kubit może przyjmować wiele wartości jednocześnie.

Jak można się domyślić, zastosowanie komputerów kwantowych pozwala na bardzo szybkie przetwarzanie informacji. Wykorzystują one takie zjawiska jak splątanie kwantowe lub tunelowanie kwantowe.

Pierwsza na świecie firma komercyjna „produkująca” komputery kwantowe to D–Wave The Quantum Computing Company. Jej klientami są: Lockheed Martin, The Quantum Artificial Intelligence Lab (Google, NASA, USRA), Los Alamos National Laboratory czy USC Information Sciences Institute. Komputery kwantowe D-Wave przeznaczone są do rozwiązywania zagadnień optymalizacji przy wykorzystaniu przyśpieszających obliczenia algorytmów kwantowych.

Najnowszy i najbardziej zaawansowany technologicznie produkt firmy to The D-Wave 2X™ System. Wykorzystuje efekty kwantowo-mechaniczne, działa w ekstremalnych warunkach, a algorytm kwantowy umożliwia rozwiązywanie bardzo trudnych problemów w bardzo szybkim czasie. Jego nadprzewodzący procesor niemal nie wytwarza ciepła, zaś specjalne urządzenie chłodzące pracuje w obiegu zamkniętym. Procesor pracuje w środowisku ochłodzonym do temperatury do 180 razy niższej niż tempertura przestrzeni międzygwiezdnej (0,015 Kelvina, -273°C, czyli 0.015 powyżej zera absolutnego). Unikalne środowisko procesora jest ekranowane – do wartości pola magnetycznego 50000 razy mniejszej  niż pole magnetyczne Ziemi. Panuje tam wysoka próżnia: ciśnienie 10 miliardów razy mniejsze od ciśnienia atmosferycznego, a ta swoista „lodówka” oraz serwery zużywają zaledwie 25kW mocy.

Działanie komputera D-Wave polega na tym, żeby sieć złożoną z 1000 maleńkich obwodów nadprzewodzących schłodzić do temperatury bliskiej zera absolutnego, by uzyskać efekty kwantowe. Użytkownik modeluje problem w celu poszukiwania „najniższego punktu w rozległym krajobrazie”. Procesor rozważa wszystkie możliwości równocześnie, aby określić najmniejszą energię potrzebną do wytworzenia tych związków. Wielokrotne rozwiązania są zwracane użytkownikowi, skalowane, aby pokazać optymalne odpowiedzi. 

Więcej na temat działania The D-Wave 2X™ System można znaleźć na stronie: The D-Wave 2X™ System