Komputery kwantowe to przełomowa technologia, która wykorzystuje zasady mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja, splątanie i tunelowanie kwantowe, do przetwarzania informacji. W klasycznych komputerach podstawowym elementem obliczeń jest bit, przyjmujący wartość 0 lub 1. W komputerach kwantowych stosuje się qubity, które mogą być w stanie 0, 1 lub ich superpozycji, co pozwala na przetwarzanie wielu potencjalnych wyników jednocześnie. Ta cecha daje komputerom kwantowym potencjalną przewagę nad klasycznymi maszynami w zadaniach wymagających ogromnej mocy obliczeniowej, takich jak symulacje molekularne, optymalizacja czy analiza danych.

Komputery kwantowe są projektowane do rozwiązywania problemów, które są praktycznie niewykonalne dla klasycznych maszyn, nawet tych najpotężniejszych. Mogą modelować złożone wiązania chemiczne i przebieg procesów chemicznych w ułamek sekundy, co dla klasycznych komputerów jest zbyt czasochłonne i wymaga niewyobrażalnej mocy obliczeniowej. Ta zdolność oznacza możliwość przyspieszenia odkrywania nowych leków, materiałów oraz innowacji w dziedzinach takich jak synteza jądrowa.

Liderami w rozwoju komputerów kwantowych są Stany Zjednoczone, Chiny oraz organizacje takie jak Google, IBM i Microsoft. Google zdobyło międzynarodowe uznanie w 2019 roku, ogłaszając osiągnięcie supremacji kwantowej z wykorzystaniem procesora Sycamore. Procesor ten, bazujący na 54 qubitach, dokonał obliczeń w 200 sekund, co według szacunków zajęłoby najszybszemu superkomputerowi 10 tysięcy lat. IBM natomiast regularnie rozwija swoje procesory kwantowe, takie jak seria Eagle i Osprey, a także stworzył dostępną publicznie platformę IBM Quantum Experience, dzięki czemu możliwe jest prowadzenie eksperymentów na rzeczywistych komputerach kwantowych przez naukowców z całego świata.

Chiny intensywnie inwestują w badania nad komputerami kwantowymi, osiągając znaczną przewagę w niektórych dziedzinach, takich jak kryptografia kwantowa czy komunikacja kwantowa. Europa również rozwija swoje programy kwantowe, wspierane przez Unię Europejską w ramach projektów takich jak Quantum Flagship.

Procesor Willow od Google

Willow to jeden z najnowszych procesorów kwantowych opracowanych przez Google w ramach ich projektu Quantum AI. Procesor ten wyróżnia się zdolnością obsługi 105 qubitów, przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu błędów. Jego architektura została zoptymalizowana pod kątem lepszej stabilności qubitów, co pozwala na bardziej skomplikowane i dłuższe obliczenia. Dzięki temu Willow stanowi istotny krok naprzód w kierunku praktycznych zastosowań komputerów kwantowych.

Procesor ma kształt kwadratu o boku ok. 4 cm i jest zbudowany z elementów nadprzewodzących, wrażliwych na temperaturę, co wymaga trzymania go w specjalnym kriostacie. Willow to jeden z pierwszych procesorów, w którym korekcja błędów odbywa się w czasie rzeczywistym. Pozwala to na wykonywanie bardziej złożonych obliczeń bez ryzyka, że zakłócenia wpłyną na wynik przed jego zakończeniem.

Procesor Willow wyróżnia się na tle konkurencji w kilku kluczowych aspektach. Po pierwsze, liczba qubitów w Willow została znacznie zwiększona w porównaniu do poprzednich generacji procesorów Google. Większa liczba qubitów pozwala na realizację bardziej złożonych obliczeń, co jest kluczowe w zastosowaniach wymagających ogromnej mocy obliczeniowej, takich jak symulacje molekularne czy modelowanie finansowe.

Co najważniejsze, Willow wprowadza nową architekturę, w której liczba błędów maleje wraz ze wzrostem liczby qubitów, co jest przełomem w dziedzinie korekcji błędów. Dzięki tej technologii procesor staje się skalowalny i gotowy do obsługi tysięcy qubitów w przyszłości, co jest kluczowe dla rozwiązywania praktycznych problemów. W porównawczych testach obliczeniowych Willow przewyższa swojego poprzednika, Sycamore, wykonując zadania w czasie niewyobrażalnie krótkim dla klasycznych superkomputerów.

Google wykorzystało Willow do testów porównawczych losowego próbkowania obwodów (RCS), co wykazało, że procesor jest zdolny do generowania i analizowania losowych liczb w czasie, który jest nieosiągalny dla klasycznych systemów. Wyniki te dowodzą, że Willow jest gotowy do obsługi coraz bardziej zaawansowanych zadań i stanowi kamień milowy na drodze do komputera kwantowego o praktycznych zastosowaniach.

Google uważa, że Willow przyczyni się do przyspieszenia badań w takich dziedzinach jak chemia, energetyka i sztuczna inteligencja. Według szefa Quantum AI przyszłość komputerów kwantowych jest ekscytująca, a Willow to tylko początek rewolucji technologicznej, która zmieni świat.

Do czego można wykorzystać komputery kwantowe?

Zastosowania komputerów kwantowych obejmują szerokie spektrum dziedzin, w tym:

• Chemia kwantowa: symulacje molekuł i reakcji chemicznych, które są poza zasięgiem klasycznych komputerów. Dzięki komputerom kwantowym można odkryć nowe leki, projektować bardziej efektywne materiały lub lepiej rozumieć zjawiska chemiczne na poziomie molekularnym.
• Optymalizacja: rozwiązywanie złożonych problemów optymalizacyjnych w logistyce, finansach czy zarządzaniu zasobami. Przykładem mogą być optymalne trasy dostawcze lub harmonogramy produkcyjne.
• Kryptografia: zarówno łamanie istnieących protokołów szyfrowania, jak i tworzenie odpornych na ataki kwantowe metod zabezpieczania danych. Technologie te mogą zapewnić bezprecedensowe poziomy bezpieczeństwa w cyfrowym świecie.
• Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe: przyspieszanie trenowania modeli i analiza ogromnych zbiorów danych, co może przyczynić się do postępów w dziedzinach takich jak rozpoznawanie obrazów czy przetwarzanie języka naturalnego.
• Fizyka i astronomia: modelowanie systemów kwantowych oraz analiza danych z teleskopów, co może pomóc w zrozumieniu podstawowych zasad funkcjonowania wszechświata.
• Finanse: analiza ryzyka, modelowanie rynków oraz optymalizacja portfela inwestycyjnego w oparciu o złożone algorytmy matematyczne.
• Synteza jądrowa: przyspieszenie badań nad reakcjami termojądrowymi, co może przybliżyć nas do zrealizowania marzenia o czystej i niewyczerpanej energii.