Zapnij pasy i dołącz do mnie w podróży do świata, w którym kot może być zarówno martwy, jak i żywy, a cząsteczka może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Odkryjemy fascynujący świat obliczeń kwantowych (Quantum Computing) i ich rolę w przetwarzaniu w chmurze.
Zgłębimy magię kubitów, przyjrzymy się najsłynniejszemu paradoksowi Schrödingera, a przede wszystkim spróbujemy odpowiedzieć na fundamentalne pytanie:
Czy komputery kwantowe zastąpią dobrze nam znane klasyczne jednostki obliczeniowe?
Po drodze przyjrzymy się, jak giganci technologiczni reagują na odkrycia mechaniki kwantowe i jaką rolę odgrywa chmura w udostępnianiu narzędzi do obliczeń kwantowych. Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym informatykiem, czy ciekawskim umysłem spoza branży IT, znajdziesz tu coś dla siebie.
Obliczenia kwantowe vs. klasyczne
W rozległym uniwersum informatyki współistnieją dwa gatunki: informatyka klasyczna (old boy) i informatyka kwantowa („zadziwiający młodzieniec”).
Klasyczna informatyka to dobrze znana nam sfera, koń pociągowy rozwoju współczesnego społeczeństwa. Jest binarna, deterministyczna, operuje na jedynkach i zerach. To jak rzucanie monetą – albo wypadnie orzeł, albo reszka, jedynka lub zero. Nawet jeśli mówimy o generowaniu losowości na klasycznych komputerach, zawsze używamy tak zwanych generatorów liczb pseudolosowych (z tzw. ziarnem, które można wykorzystać do odtworzenia tego „losowego” wyniku) – po prostu dlatego, że prawdziwa losowość nie istnieje w naszym świecie.
Bóg nie gra w kości z wszechświatem
– jak powiedział Albert Einstein. Czy miał rację?
Cóż… Nie.
Zostało udowodnione przez wiele eksperymentów opartych na Twierdzeniu Bella. Istnieje głębokie źródło losowości, gdy patrzymy na nasz wszechświat w skali kwantowej (skala cząstek elementarnych, takich jak fotony, elektrony itp.). Obliczenia kwantowe – egzotyczne stworzenie, które wyewoluowało na fundamencie mechaniki kwantowej – nie są zgodne z zasadami fizyki klasycznej, a losowość cząstek kwantowych leży u ich podstaw.
W świecie kwantowym rzut monetą może wypaść na reszkę, orła lub obu na raz!
Tak, dobrze przeczytałeś, obie strony w tym samym czasie! To jak mieć ciastko i zjeść ciastko – zjawisko znane jako superpozycja. To fundamentalne odejście od logiki binarnej otwiera świat na nowe możliwości, czyniąc obliczenia kwantowe przełomem.
Czym są obliczenia kwantowe? Zacznijmy od podstaw
Obliczenia kwantowe to twardy orzech do zgryzienia ,ponieważ opierają się na mechanice kwantowej – najbardziej skomplikowanej dziedzinie fizyki, ale nie martw się. Nie zamierzam rzucać cię na głęboką wodę bez krótkiego wstępu na podstaw związanych ze światem kwantów.
U podstaw obliczeń kwantowych leżą bity kwantowe lub „kubity”. W przeciwieństwie do binarnych bitów klasycznych obliczeń (które mogą być jedynką lub zerem), kubity mogą znajdować się w superpozycji stanów, czyli w wielu stanach jednocześnie. To właśnie tutaj zaczyna się magia. Gdy kubit znajduje się w superpozycji, nie znamy jego wartości, dopóki go nie zmierzymy; jego potencjalna wartość jest odzwierciedlona przez prawdopodobieństwo zapadnięcia się w dany stan. Po pomiarze (odczytaniu wartości) kubit „zapada się” do 0 lub 1, co oznacza, że staje się tradycyjnym klasycznym bitem o dobrze zdefiniowanej wartości.
Na przykład, kubit może mieć 50% szans na kolaps do 0 i 50% szans na kolaps do 1 (najbardziej losowa superpozycja, jaką można osiągnąć dla pojedynczego kubitu).
Ale możemy też mieć kubit z 95% szansą na kolaps do 0 i tylko 5% na kolaps do 1 – co oznacza, że prawie zawsze kubit będzie reprezentował 0, ale czasami (dokładnie z prawdopodobieństwem 5% czasu) stanie się 1.
Innym fascynującym (a raczej oszałamiającym) aspektem mechaniki kwantowej (i bardzo ważnym elementem obliczeń kwantowych) jest splątanie. Gdy kubity zostają splątane, stan jednego z nich natychmiast odzwierciedla stan kwantowy drugiego, bez względu na dzielącą Ta dziwna korelacja, którą Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”, pozwala kubitom współpracować ze sobą w sposób, w jaki klasyczne bity po prostu nie mogą. I po raz kolejny Einstein się mylił, ponieważ splątanie jest prawdziwą rzeczą udowodnioną eksperymentalnie, chociaż nie mamy absolutnie żadnego pojęcia, jak to działa. Ale ostatecznie – ważne jest to, że możemy „połączyć” ze sobą kubity.
Teraz przejdźmy do sedna obliczeń kwantowych: wyobraźmy sobie, że można manipulować prawdopodobieństwami stanu kubitów w kontrolowany sposób, tak aby zapadały się w pożądany stan (rozwiązanie obliczeń kwantowych). Można to osiągnąć za pomocą interferencji kwantowej i jest to sekretny składnik, który sprawia, że algorytmy kwantowe są możliwe.
Superpozycja, splątanie i interferencja (która pozwala na tworzenie kwantowych bramek logicznych) napędzają potencjał obliczeń kwantowych, umożliwiając rozwiązywanie złożonych problemów znajdujących się obecnie poza zasięgiem klasycznych komputerów.
Jak platformy chmurowe ułatwiają obliczenia kwantowe
Obliczenia kwantowe nie są już ograniczone do laboratoriów badawczych fizyków kwantowych. Główni gracze technologiczni wkraczają do wyścigu kwantowego, przenosząc moc obliczeń kwantowych do chmury. IBM, pionier zarówno w dziedzinie obliczeń klasycznych, jak i kwantowych, robi znaczące postępy dzięki swojej inicjatywie IBM Quantum. Firma opracowała serię komputerów kwantowych, dostępnych za darmo za pośrednictwem chmury IBM Cloud, które przesuwają granice tego, co jest możliwe w przypadku komputerów cyfrowych.
Qiskit firmy IBM, kwantowy framework obliczeniowy o otwartym kodzie źródłowym, umożliwia użytkownikom implementację programów kwantowych na urządzeniach osobistych i uruchamianie ich na systemach kwantowych IBM w chmurze. Qiskit skutecznie zdemokratyzował programowanie kwantowe, czyniąc je dostępnym dla nowej generacji entuzjastów kwantowych. Niezależnie od tego, czy jesteś badaczem, programistą czy nauczycielem – Qiskit oferuje wszystkie narzędzia potrzebne do odkrywania świata kwantowego.
Zespół Google Quantum AI pracuje nad budową procesorów kwantowych i opracowaniem nowych algorytmów kwantowych, dążąc do wykorzystania mocy mechaniki kwantowej do rozwiązywania złożonych problemów w świecie rzeczywistym. Microsoft nie pozostaje daleko w tyle z Azure Quantum, dążąc do demokratyzacji obliczeń kwantowych poprzez oferowanie programistom platformy dostępu do sprzętu kwantowego i innych narzędzi do tworzenia oprogramowania.
Amazon również zanurza swoje palce w wodach kwantowych dzięki Amazon Braket, w pełni zarządzanej usłudze, która umożliwia naukowcom i programistom badanie, tworzenie i testowanie algorytmów kwantowych. Ci giganci technologiczni rywalizują o stworzenie najpotężniejszych i najbardziej dostępnych platform obliczeń kwantowych, przenosząc tę dziedzinę z teorii do rzeczywistości.
Kwantowość w chmurze: Aktualne zastosowania i rzeczywiste przypadki użycia
Możliwości obliczeń kwantowych zaczynają nabierać kształtu, w dużej mierze dzięki roli dostawców usług w chmurze. Ważne jest jednak, abyśmy byli osadzeni w obecnej rzeczywistości. Chociaż istnieje duży potencjał, aktualny stan obliczeń kwantowych nadal ma ograniczenia.
Obecnie nie posiadamy układów kwantowych pozwalających na rozwiązywanie problemów na dużą skalę. Nasze komputery kwantowe są wciąż w powijakach, a my jesteśmy na wczesnym etapie zrozumienia, jak tworzyć obwody kwantowe, aby wydobyć z nich to, co najlepsze. Programowanie kwantowe jest obecnie wysoce wyspecjalizowaną dziedziną wymagającą głębokiego zrozumienia fizyki kwantowej. Wykorzystanie bramek kwantowych do manipulowania stanami kubitów jest podobne do klasycznego programowania z wykorzystaniem bramek logicznych – jednak na znacznie bardziej złożoną skalę.
Co więcej, wciąż jesteśmy na wczesnym etapie opracowywania algorytmów i systemów fizycznych niezbędnych do pełnego wykorzystania mocy obliczeń kwantowych. Dostępność obliczeń kwantowych na platformach chmurowych jest znaczącym krokiem naprzód (zwłaszcza, że możemy z nich korzystać w większości za darmo!), dzięki czemu zasoby kwantowe są dostępne dla badań i rozwoju, co z pewnością przyspieszy postęp w tej dziedzinie.
Rzeczywiste zastosowania obliczeń kwantowych są na horyzoncie, a chmura bez wątpienia odegra kluczową rolę w ich urzeczywistnieniu. Na razie jednak wciąż kładziemy podwaliny pod kwantową supremację i przygotowujemy się na kwantową rewolucję.
Obliczenia kwantowe i kot Schrödingera
Prawdopodobnie słyszałeś o kocie Schrödingera: eksperymencie myślowym, który jest jednym z najbardziej znanych przykładów dziwnego i cudownego świata mechaniki kwantowej.
Wyobraźmy sobie kota w pudełku z fiolką trucizny, która może zostać rozbita w losowym momencie – możemy to osiągnąć, umieszczając pierwiastek radioaktywny detektor Geigera z wyzwalaczem, który rozbije fiolkę , gdy wykryje promieniowanie. Wiemy, że promieniowanie atomu jest niedeterministyczne – nie można go przewidzieć – więc jest to jak 50/50 szans na uwolnienie trucizny.
Według fizyki klasycznej kot jest albo martwy, albo żywy. Ale mechanika kwantowa mówi nam, że kot jest zarówno martwy, jak i żywy, dopóki go nie zaobserwujemy (otworzymy pudełko).
Jest to analogia do kubitu, gdzie stan kwantowy określa stan superpozycji. Może znajdować się w wielu stanach jednocześnie, dopóki nie zostanie zaobserwowany, a w momencie zmierzenia – zapada się do jednego stanu. Na tym polega istota obliczeń kwantowych. Możemy manipulować kubitami tak, aby znajdowały się w wielu stanach jednocześnie, wykonywać na nich obliczenia w stanie superpozycji, a następnie obserwować wynik kolapsu kubitów do pojedynczego stanu. To jak wykonywanie wielu obliczeń jednocześnie, dlatego komputery kwantowe mają tak ogromny potencjał.
Algorytm Shora i kwantowy wpływ na bezpieczeństwo danych
Kiedy mówimy o potencjale obliczeń kwantowych do zakłócania tradycyjnych metod przetwarzania informacji, nigdzie nie jest to bardziej widoczne niż w bezpieczeństwie danych. Kluczowe znaczenie ma tu algorytm kwantowy opracowany przez matematyka Petera Shora. Algorytm Shora, zaprojektowany do wydajnego dzielenia dużych liczb na liczby pierwsze, już wywołał zamieszanie w świecie kryptografii.
Większość współczesnych systemów szyfrowania, takich jak RSA, opiera się na fakcie, że nawet najpotężniejsze super (klasyczne) komputery potrzebują ogromnie dużo czasu na faktoryzację dużych liczb. Jest to znane jako problem faktoryzacji liczb całkowitych. Jednak algorytm Shora, działający na wystarczająco potężnym komputerze kwantowym, może rozwiązać ten problem wykładniczo szybciej niż jakikolwiek znany algorytm działający na klasycznym komputerze.
Nie oznacza to jednak, że wszystkie nasze zabezpieczenia online są na skraju załamania. Dzisiejsze komputery kwantowe nie są wystarczająco potężne, aby uruchomić algorytm Shora w skali zagrażającej obecnym metodom szyfrowania. Jednak istnienie tego algorytmu wywołało pęd w kierunku rozwoju kryptografii post-kwantowej. Te metody szyfrowania pozostałyby bezpieczne nawet w obliczu ataku z wykorzystaniem komputerów kwantowych.
Czy obliczenia kwantowe zastąpią obliczenia klasyczne?
Kluczowe jest zrozumienie, że komputery kwantowe i klasyczne są zasadniczo różnymi maszynami. Działają w oparciu o inne zasady i zostały zaprojektowane do rozwiązywania różnych typów problemów. Właśnie ta różnica sprawia, że pomysł zastąpienia jednego przez drugi jest z definicji błędny.
Bardziej trafną perspektywą jest postrzeganie obliczeń kwantowych i klasycznych jako uzupełniających się sił. Wystarczy spojrzeć na algorytm Shora, który jest przykładem synergii między systemem kwantowym a obliczeniami klasycznymi. Składa się on z części klasycznej i kwantowej. Część klasyczna redukuje problem faktoryzacji dużej liczby do problemu znalezienia okresu pewnej funkcji. Część kwantowa następnie rozwiązuje ten problem przy użyciu bliczeń kwantowych (a dokładniej kwantowej transformaty Fouriera). Po znalezieniu okresu, część klasyczna ponownie przejmuje zadanie znalezienia liczb pierwszych.
Ten symbiotyczny związek między obliczeniami kwantowymi i klasycznymi w algorytmie Shora ilustruje, że komputery kwantowe nie są tutaj, aby zastąpić klasyczne. Istnieją, aby pracować obok nich, każdy doskonaląc swoje mocne strony. W rzeczywistości chipy kwantowe można postrzegać jako analogiczne do procesorów graficznych lub jednostek TPU w klasycznych komputerach – wyspecjalizowanych jednostek przetwarzania, którym można delegować określone zadania. Patrząc w przyszłość, możemy spodziewać się krajobrazu obliczeniowego, w którym różne technologie obliczeniowe, w tym zarówno klasyczny, jak i kwantowy sprzęt komputerowy, współistnieją i wzajemnie się uzupełniają.
Rola obliczeń kwantowych w przyszłości chmury obliczeniowej
Świat obliczeń kwantowych jest wciąż w powijakach, ale jego potencjalny wpływ na chmurę obliczeniową jest ogromny. Wyobraźmy sobie wykonywanie złożonych obliczeń w kilka sekund, rozwiązywanie problemów optymalizacyjnych z łatwością lub dokładne symulowanie systemów kwantowych. Nie wspominając nawet o tak zwanej sztucznej inteligencji kwantowej – wykorzystaniu właściwości mechaniki kwantowej do wykładniczego skalowania możliwości szkolenia sieci neuronowych lub z innej perspektywy – wykorzystaniu sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego do opracowania nowych algorytmów kwantowych, takich jak algorytm Shora.
Przyszłość obliczeń kwantowych w chmurze jest obiecująca, ale też niepewna. Nadal istnieje wiele przeszkód technicznych do pokonania, zanim osiągniemy praktyczne komputery kwantowe na dużą skalę. Biorąc jednak pod uwagę tempo badań i ilość inwestycji w tej dziedzinie, powinniśmy się zastanawiać KIEDY obliczenia kwantowe zmienią chmurę, a nie czy w ogóle zmienią.
Moim zdaniem pewne jest, że stoimy u progu nowej ery. Ery, w której możemy wykorzystać moc mechaniki kwantowej do rozwiązywania najbardziej złożonych problemów na świecie. Ery, w której kot Schrödingera może zadomowić się w chmurze!