Komputer i Internet kwantowy

Technologia kwantowa wzbudza zainteresowanie fizyków na całym świecie. Jest tematem, obok którego, żaden naukowiec nie może przejść obojętnie. Szczególnie, kiedy weźmiemy pod uwagę ogromne możliwości obliczeniowe jakie niesie za sobą korzystanie z tej technologii. Zagłębmy się więc w to jakie tajemnice skrywa w sobie komputer oparty na osiągnięciach mechaniki kwantowej.

Procesor kwarcowy a procesor kwantowy

Standardowe procesory, oparte na technologii kwarcowej przetwarzają dane w kodzie binarnym – czyli w sposób „zerojedynkowy”. To znaczy, że tranzystory w procesorze mogą pracować w dwóch stanach 0 albo 1, odpowiadających zmianom napięcia. W maszynie kwantowej natomiast dane reprezentowane są przez stan kwantowy układu stanowiącego mikroprocesor. Bramki logiczne w tym systemie działają zupełnie inaczej niż w tradycyjnych urządzeniach.

Komputer kwantowy posługuje się bitami kwantowymi tzw. kubitami (z angielskiego quantum bit). Różnią się one od standardowych bitów tym, że nie mają one ustalonej wartości 0 lub 1, ale zgodnie z wykładnią mechaniki kwantowej znajdują się w stanie pośrednim określanym również superpozycją. W trakcie pomiaru przyjmuje on dopiero jedną z wartości, a co ciekawe może przyjmować je równocześnie. W tym właśnie tkwi jego ogromny potencjał obliczeniowy. W trzech kubitach mieści się aż osiem splątanych ze sobą wartości (000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111), a to daje aż 22 i 23 możliwości!
Jednak stanów tych nie można traktować jako niezależnych, z tego też powodu określa się je splątanymi.

Komputery kwantowe w kryptologii

Aby jeszcze bardziej uplastycznić jak to działa posłużymy się przykładem z zakresu kryptologii. Popularną technologią szyfrowania danych jest stosowanie klucza prywatnego w algorytmie RSA. Klucz ten jest skomplikowany w swojej budowie, ze względu na to, że w uproszczeniu składa się z iloczynu bardzo dużych liczb pierwszych. Złamanie takiego klucza jest bardzo czasochłonne, nawet dla maszyn określanych jako superkomputery - czyli posiadających ogromną moc obliczeniową, porównywalną z setkami tysięcy standardowych jednostek centralnych jakie spotykamy w domach. Dla procesora kwarcowego dokonanie takich obliczeń byłoby bardzo kłopotliwe, gdyż wykonuje je on po kolei. Szacuje się, że proces ten mógłby potrwać nawet kilkadziesiąt lat, dotychczasowo największy rozłożony na czynniki klucz RSA miał zaledwie 768 bitów. Zastosowanie technologii kwantowej pozwala na wykonanie takiego działania niemal natychmiast za pomocą algorytmu Shora. Jest to możliwe gdyż procesor kwantowy wiele operacji równolegle, co pozwala na diametralne przyspieszenie prędkości obliczeń.

Zastosowania komputerów kwantowych

Podstawową zaletą komputera kwantowego jest fakt, że obliczenia są jednocześnie wykonywane na wszystkich możliwych danych, a błędne wyniki wzajemnie się usuwają. Dzięki temu pozostają jedynie prawidłowe wartości. Istnieje pewne prawdopodobieństwo ich wystąpienia, co powoduje, że trzeba dokonać całej serii obliczeń i wówczas ich średnia wartość określa, z małym uchybem, prawidłowy wynik działania. Mówiąc prościej komputer kwantowy oblicza prawdopodobieństwo jaki jest rezultat danego działania, lecz przy dużej liczbie powtórzeń wystarczy to aby przyjąć go jako właściwy. Daje to możliwość, szczególnie przy znajomości wyniku, szybkiej weryfikacji kilku najbardziej prawdopodobnych rozwiązań i wyboru właściwego. Taka sytuacja ma miejsce m.in. przy poszukiwaniu kluczy RSA o których wspomniano wcześniej w tym artykule.

Kluczowym zadaniem jakie stoi przed komputerem kwantowym są obliczenia powiązane z faktoryzacją liczb pierwszych – konieczne przy łamaniu dowolnych kodów deszyfrujących. Powszechne zastosowanie obliczeń kwantowych spowoduje, że wszystkie dotychczasowe metody szyfrowania danych przestaną być użyteczne. Na ten moment to zagrożenie jest jednak odległe. Aktualny poziom rozwoju technologii kwantowej nie pozwala jeszcze na prowadzenie tak zaawansowanych obliczeń, a jedynie ściśle określonych, przez specjalny algorytm zadań. Pozytywne nastroje wzbudza natomiast kwestia operacji związanych z chemią, meteorologią i astronomią. Specyfika technologii kwantowej może pozwolić na bardzo sprawne symulacje modeli pogodowych, czy skomplikowanych obliczeń astrofizycznych.

Nie znajdzie ona jednak zastosowania w naszych codziennych zadaniach. Jest to zupełnie inny typ komputerów, którego możliwości są odrębne od tych znanych nam z własnego domu. Byłoby to również skomplikowane logistycznie gdyż procesory kwantowe muszą być chłodzone do temperatury zbliżonej do 0K (ok. -273 stopni Celsjusza), za pomocą rozbudowanych układów chłodniczych ze skraplarką helu. Funkcjonowanie takich urządzeń chłodniczych w warunkach domowych wydaje się co najmniej abstrakcyjne, podobnie jak ich cena.

Internet kwantowy

Przesyłanie danych za pomocą kwantów również jest możliwe. W ciągu pięciu lat na orbicie okołoziemskiej znajdzie się pięć satelitów, które zapewnią komunikację kwantową. Pionierami w tej dziedzinie są Chińczycy; koszt wysłania pierwszego takiego satelity w przestrzeń kosmiczną wyniósł 100 milionów dolarów. Naukowcy szacują, że do 2030r. Internet kwantowy będzie dostępny również w innych krajach.

Warto wiedzieć, że jest on zupełnie inny od Internetu konwencjonalnego. O ile możliwe jest już wysłanie informacji przez splątane ze sobą fotony, to pamięci kwantowe charakteryzują się tym, że są wyjątkowo nietrwałe i mogą działać maksymalnie przez godzinę. Jest to ogromna bariera do pokonania, badacze usiłują znaleźć materiał który pozwoli na przechowywanie informacji kwantowych. Mimo tych przeciwności technologia ta wzbudza ogromne zainteresowanie naukowców. Dlaczego? Ponieważ Kwantowy Internet pozwoli na całkowicie bezpieczne przysłanie danych przy użyciu kwantowej dystrybucji klucza. Nie będzie możliwe „podsłuchiwanie” wymiany bez zniszczenia transmitowanych podczas niej danych. Dotychczas, na Ziemi, udało się przesłać informację na odległość 100km. z niewielka prędkością 10kbps; ze spadkiem odległości sytuacja się jednak poprawia, bo przy 20km prędkość ta wyniosła już 1Mbps.