Komputery kwantowe
| Komputery kwantowe |
|---|
| Polecane artykuły |
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).
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):
- algorytmy opierające się na funkcji haszującej,
- algorytmy oparte na kodach liniowych,
- algorytmy oparte na kratach,
- 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):
- odpowiednio zdefiniowany qubit – dwa stany kwantowe oddzielone od pozostałych stanów układu, tak by informacja w niego wpisana nie ulegała wypływowi,
- 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),
- możliwość skalowania qubitu do wielo-qubitowego urządzenia,
- 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),
- zapewnienie stosunku rzędów czasu potrzebnego na wykonanie elementarnych operacji logicznych i czasu dekoherencji na poziomie nie mniejszym niż 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,
- zapewnienie możliwości odczytu informacji na wyjściu,
- 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).
Bibliografia
- Bójko M. (2018) Wszyscy chcą je mieć. Giganci informatyki inwestują w komputery kwantowe Focus
- Gruber J. (red.) (2014) Kryteria budowy komputera kwantowego i algorytmy kryptografii postkwantowej Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie / Politechnika Śląska, z.74
- Gribbin J. (2015) Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych, Wydawnictwo: Prószyński i S-ka
- 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
