Komputery kwantowe

Komputery kwantowe - według współczesnej literatury to układy fizyczne, do których działania wykorzystuje się użycie mechaniki kwantowej. Zaprojektowane są w taki sposób, aby wraz z ewolucją prezentować rozwiązanie określonego problemu obliczeniowego. Działają przy użyciu manipulacji obiektami kwantowymi znajdującymi się w dwóch stanach jednocześnie (nazywamy to superpozycją). Ich ogromną zaletą jest wykonywanie wszystkich operacji znacznie szybciej od tradycyjnych komputerów. Wiąże się to niestety z możliwością wykorzystywania ich do łamania szyfrów, co łączy się z dużym niebezpieczeństwem (J. Gruber i in. 2014, s. 24) (J. Gribbin 2015, s. 5).

Jak pisze R. Nowotniak komputer kwantowy wykonywałby obliczenia w nietypowy, współbieżny sposób. Nieskończona liczba obliczeń może być realizowana w tym samym czasie. Wyniki tych obliczeń oddziałują na siebie, tak jak w przypadku interferencji funkcji falowych fotonu, który porusza się jednocześnie dwiema drogami. Końcowy wynik jest zależny od każdego z pojedynczych, prowadzonych współbieżnie, rezultatów obliczeń (R. Nowotniak 2008, s. 4).

TL;DR

Komputery kwantowe są układami fizycznymi, które korzystają z mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń. Są znacznie szybsze od tradycyjnych komputerów, ale mogą być wykorzystane do złamania szyfrów. Perspektywy komputerów kwantowych obejmują skrócenie czasu wykonywania zadań, rozwiązywanie problemów matematycznych o dużej złożoności i tworzenie nowych materiałów. Ograniczenia to brak możliwości realizacji nowych problemów, trudności w budowie układów złożonych i mała liczba znanych algorytmów kwantowych. Budowa komputera kwantowego o dużej mocy może spowodować złamanie algorytmów kryptograficznych. Istnieją jednak algorytmy uważane za odporne na ataki. Istnieje kilka kryteriów DiVincenzo, które muszą zostać spełnione przy konstrukcji komputera kwantowego. D-Wave One był pierwszym komputerem kwantowym na świecie, a obecnie jest wiele firm inwestujących w tę technologię.

Perspektywy i ograniczenia

Perspektywy i ograniczenia dotyczące komputerów kwantowych są następujące (Ł. Świerczewski 2013, s. 24-25) (L. Jacak 2002, s. 74):

perspektywy:

• możliwość realizacji nieosiągalnych (ze względu na czas realizacji) klasycznie zadań w bardzo krótkim czasie
• możliwość efektywnego rozwiązywania problemów matematycznych opartych na dużej złożoności obliczeniowej
• możliwość tworzenia nowych materiałów, modeli zmian klimatu oraz leków (M. Bójko 2018)

ograniczenia:

• brak możliwości realizacji nowych problemów, których nie zdoła wykonać komputer klasyczny
• problem z budową układów złożonych z dużej ilości kubitów
• znajomość niewielkiej ilości algorytmów kwantowych
• trudności ze względu na oddziaływanie obiektów kwantowych z otoczeniem

Zagrożenia wynikające ze zbudowania komputera kwantowego o dużej mocy

Ze zbudowaniem komputera kwantowego o dużej mocy obliczeniowej wiąże się ryzyko złamania wszystkich znanych dotychczas algorytmów kryptograficznych klucza publicznego. Problemem jest także kompromitacja zabezpieczeń fizycznych, generująca dużo większe koszty niż w przypadku zabezpieczeń cyfrowych. Kolejnym utrudnieniem jest zagrożenie bezwzględnie bezpiecznych kanałów komunikacyjnych (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23).

Istnieją jednak cztery grupy algorytmów uważanych za odporne na ataki, ale niestety nie można ich uznać jako bezwzględnie bezpieczne.

Są to (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23):

1. algorytmy opierające się na funkcji haszującej,
2. algorytmy oparte na kodach liniowych,
3. algorytmy oparte na kratach,
4. algorytmy opierające się na wielomianach drugiego stopnia o wielu zmiennych

Kryteria DiVincenzo

Warunki konieczne do spełnienia przy konstrukcji komputera kwantowego, nazywane kryteriami DiVincenzo (W. Jacak 2011, s. 12-13):

1. odpowiednio zdefiniowany qubit - dwa stany kwantowe oddzielone od pozostałych stanów układu, tak by informacja w niego wpisana nie ulegała wypływowi,
2. określenie możliwości wpisywania informacji w qubit - tj. możliwości uzyskania dowolnej superpozycji dwóch stanów qubitu przy pomocy zewnętrznego, makroskopowo regulowanego pola (np. oscylacje Rabiego w realistycznym obszarze pól),
3. możliwość skalowania qubitu do wielo-qubitowego urządzenia,
4. zaprojektowanie i implementowanie podstawowej operacji dwu-qubitowej, o którą oprzeć by można wykonanie dowolnej kwantowej operacji logicznej (taką bramką może być CNOT lub inna [5,10], w każdym przypadku konieczne jest opanowanie techniki włączania i wyłączania oddziaływania qubitów w precyzyjny sposób, w bardzo krótkich odstępach czasu, tj. sterowanie splątaniem dwóch qubitów),
5. zapewnienie stosunku rzędów czasu potrzebnego na wykonanie elementarnych operacji logicznych i czasu dekoherencji na poziomie nie mniejszym niż 6,
6. zapewnienie możliwości oddziaływania dużej liczby qubitów, albo bezpośrednio (co trudne), albo poprzez qubit pośredniczący (np. foton), w celu skalowania komputera i implementacji korekty błędów,
7. zapewnienie możliwości odczytu informacji na wyjściu,
8. zapewnienie możliwości resetowania całego układu.

D-Wave

D-Wave One - pierwszy na świecie komputer kwantowy, 2011 rok.

Najnowsze maszyny D-Wave mają ponad tysiąc kubitów. Są używane m.in. Google i NASA, Harvard University oraz koncern Lockheed Martin. Wiele firm inwestuje w komputery kwantowe, ponieważ ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją (M. Bójko 2018).

Komputery kwantowe — artykuły polecane

Algorytm genetyczny — Blockchain — Programowanie obiektowe — JavaScript — Projektowanie eksperymentów — Interfejs użytkownika — Refactoring — Oscylator — Kompletacja

Bibliografia

• Bójko M. (2018) Wszyscy chcą je mieć. Giganci informatyki inwestują w komputery kwantowe Focus
• Gribbin J. (2015) Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych, Wydawnictwo: Prószyński i S-ka
• Gruber J. (red.) (2014) Kryteria budowy komputera kwantowego i algorytmy kryptografii postkwantowej Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie / Politechnika Śląska, z.74
• Jacak L. (2002). Komputer kwantowy: nowe wyzwanie dla nanotechnologii. Postępy fizyki, 53
• Jacak W. (2011) Wstęp do informatyki i kryptografii kwantowej, Wydawca:Politechnika Wrocławska, Wrocław
• Nowotniak R. (2008) Wykorzystanie metod ewolucyjnych sztucznej inteligencji w projektowaniu algorytmów kwantowych Doctoral dissertation, Master’s thesis, Politechnika Łódzka
• Świerczewski Ł. (2013) Symulacja funkcjonalnego systemu kwantowego na równoległych komputerach klasycznych IV generacji Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości w Łomży, Instytut Informatyki i Automatyki

Autor: Agnieszka Grzymkowska