Tytuł oryginału

QUANTUM SUPREMACY

How the Quantum Computer Rewolution Will

Change Everything

Copyright © 2023 by Michio Kaku

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Ilustracja na okładce

© hh5800/Getty Images

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8352-624-9

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Kochającej żonie Shizue i córkom,

dr Michelle Kaku i Alyson Kaku

CZĘŚĆ I

POCZĄTKI KOMPUTERÓW KWANTOWYCH

ROZDZIAŁ 1

KONIEC EPOKI KRZEMU

Nadciąga rewolucja.

W latach 2019–2020 świat nauki obiegły dwie elektryzujące wiadomości. Dwie grupy badaczy ogłosiły, że udało im się doprowadzić do kwantowej dominacji, czyli osiągnąć ów mityczny punkt oznaczający chwilę, w której komputer zupełnie nowego rodzaju, tak zwany komputer kwantowy, po raz pierwszy prześcignął w sposób niepozostawiający wątpliwości zwyczajny superkomputer cyfrowy w realizacji określonego zadania. To wydarzenie zwiastuje zbliżający się przewrót, który całkowicie odmieni technikę komputerową i wywoła daleko idące zmiany we wszystkich aspektach naszego życia.

Najpierw firma Google ujawniła, że jej komputer kwantowy Sycamore w ciągu 200 sekund uporał się z problemem matematycznym, którego rozwiązanie za pomocą najszybszego superkomputera na świecie zajęłoby 10 tysięcy lat. Jak napisano w artykule opublikowanym w „MIT Technology Review”, firma Google nazwała to wydarzenie ważnym przełomem. Jej przedstawiciele porównali je do wystrzelenia Sputnika i pierwszego lotu braci Wright. Stwierdzili, że jest to „początek nowej ery maszyn, przy których najpotężniejsze dzisiejsze komputery będą wyglądały jak zwyczajne liczydła”1.

Potem Instytut Innowacji Kwantowych działający przy Chińskiej Akademii Nauk zrobił kolejny krok. Pracujący tam uczeni oznajmili, że ich komputer kwantowy jest 100 bilionów razy szybszy od zwyczajnego superkomputera.

Wypowiadając się na temat tego błyskawicznego rozwoju komputerów kwantowych, Bob Sutor, wiceprezes firmy IBM, powiedział bez cienia wątpliwości:

– Uważam, że będzie to najważniejsza technologia komputerowa w obecnym stuleciu2.

Komputery kwantowe, zwane „komputerami ostatecznymi”, stanowią ogromny krok naprzód w rozwoju technicznym i ich powstanie ma ogromne znaczenie dla całego świata. Zamiast małych tranzystorów do obliczeń wykorzystuje się w nich możliwie najmniejsze obiekty, czyli same atomy. Dzięki temu mogą bez trudu osiągnąć moc obliczeniową przewyższającą zdolności najpotężniejszych obecnie superkomputerów. Prawdopodobnie zapoczątkują nową epokę rozwoju gospodarczego i społecznego, całkowicie odmieniając tym samym nasze życie.

Jednak komputery kwantowe są czymś więcej niż tylko nowymi, jeszcze szybszymi modelami komputerów. Są urządzeniami obliczeniowymi zupełnie odmiennego rodzaju, które mogą rozwiązywać zadania całkowicie przekraczające możliwości stosowanych dotychczas komputerów cyfrowych. Chodzi o problemy, których tradycyjne komputery nie są w stanie rozwikłać, nawet gdyby mogły wykonywać obliczenia nieskończenie długo. Komputery cyfrowe nigdy na przykład nie zdołają obliczyć dokładnie, jak łączą się ze sobą atomy w ważnych reakcjach chemicznych, zwłaszcza w tych, które występują w organizmach żywych. Tradycyjne komputery wykonują obliczenia na ciągach cyfr składających się z zer i jedynek, a taka metoda opisu jest po prostu zbyt ograniczona, by mogła właściwie przedstawić subtelne fale elektronów przeobrażające się nieustannie we wnętrzu cząsteczek. Gdy chcemy ustalić, jakie drogi może obrać mysz przemierzająca labirynt, komputer cyfrowy musi żmudnie analizować wszystkie możliwości, jedna po drugiej. Komputer kwantowy może natomiast uwzględnić jednocześnie wszystkie możliwe drogi i błyskawicznie wykonać całe zadanie.

Nic więc dziwnego, że szybko wywiązała się zawzięta rywalizacja między największymi firmami komputerowymi, które ruszyły do wyścigu o skonstruowanie najpotężniejszego komputera kwantowego na świecie. W 2021 roku firma IBM poinformowała o zbudowaniu swojego pierwszego komputera kwantowego pod nazwą Eagle, który wysunął się na prowadzenie w tym wyścigu, ponieważ miał większą moc obliczeniową niż poprzednie modele. Takie rekordy działają jednak jak płachta na byka – wywołują u konkurentów jeszcze większe pragnienie ich pobicia.

Z uwagi na ogromne znaczenie tej rewolucji nikogo nie powinno dziwić, że wiele największych firm komputerowych na świecie zainwestowało ogromne środki w rozwój tej nowej technologii. Google, Microsoft, Intel, IBM, Rigetti Computing i Honeywell budują obecnie prototypy komputerów kwantowych. Giganci z Doliny Krzemowej szybko zrozumieli, że muszą wziąć udział w tej rewolucji, jeśli nie chcą zostać w tyle.

Firmy IBM, Honeywell i Rigetti Computing udostępniły swoje komputery kwantowe pierwszej generacji w Internecie, by zaostrzyć apetyt opinii publicznej i dać zwykłym ludziom możliwość nawiązania pierwszego kontaktu ze światem obliczeń kwantowych. Każdy może się sam przekonać, jak wygląda ta nowa rewolucja, łącząc się z komputerem kwantowym przez Internet. Portal IBM Quantum, uruchomiony w 2016 roku, pozwala wszystkim użytkownikom Internetu uruchamiać za darmo programy na piętnastu komputerach kwantowych. Z tej możliwości korzystają między innymi firmy Samsung i JPMorgan Chase. Obecnie każdego miesiąca portal odwiedza już 2 tysiące osób i w tym gronie są nie tylko ciekawi świata uczniowie, lecz także uznani profesorowie.

Amerykańska giełda papierów wartościowych żywo interesuje się tą nową technologią. Spółka IonQ była pierwszą dużą firmą zajmującą się komputerami kwantowymi, której akcje trafiły na giełdę. W ramach pierwszej oferty publicznej, ogłoszonej w 2021 roku, firmie udało się zebrać 600 milionów dolarów. Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że zawzięta rywalizacja w tym zakresie doprowadziła do tego, iż wycena start-upu PsiQuantum, firmy nieposiadającej żadnego komercyjnego prototypu na rynku ani jakichkolwiek innych produktów, skoczyła nagle na amerykańskiej giełdzie do wartości 3,1 miliarda dolarów – z dnia na dzień wartość firmy zwiększyła się o 665 milionów dolarów. Analitycy finansowi pisali, że jeszcze nigdy czegoś takiego nie widzieli. Żadna inna nowa firma nie była przedmiotem tak gorączkowych spekulacji ani nie wywołała tak ogromnego zainteresowania prasy.

Firma konsultingowa i audytorska Deloitte szacuje, że rynek komputerów kwantowych powinien osiągnąć w latach dwudziestych XXI wieku wartość kilkuset milionów dolarów, a w latach trzydziestych liczba ta może wzrosnąć nawet do dziesiątków miliardów dolarów. Nikt nie potrafi powiedzieć, kiedy komputery kwantowe trafią na rynek komercyjny i całkowicie odmienią krajobraz gospodarczy, ale wszelkie przewidywania na ten temat trzeba nieustannie uaktualniać, by uwzględnić szalone tempo pojawiania się coraz to nowych odkryć naukowych w tej dziedzinie. Wypowiadając się na temat błyskawicznego rozwoju komputerów kwantowych, Christopher Savoie, prezes Zapata Computing, powiedział:

– To już nie jest kwestia tego, „czy”, tylko „kiedy”3.

Nawet Kongres Stanów Zjednoczonych żywo zainteresował się tym, co należy zrobić, by przyspieszyć rozwój nowej technologii kwantowej. Kongresmeni uświadomili sobie, że inne kraje przeznaczyły już znaczące środki na prowadzenie badań w tej dziedzinie, i w grudniu 2018 roku przyjęli uchwałę National Quantum Initiative (narodowa inicjatywa kwantowa), która ma zapewnić pieniądze na uruchomienie nowych badań. W uchwale przewidziane jest utworzenie od dwóch do pięciu nowych naukowych ośrodków badawczych, których budżet będzie wynosił 80 milionów dolarów rocznie.

W 2021 roku Kongres przeznaczył ponadto 625 milionów dolarów na rozwój technologii kwantowej, powierzając nadzór nad wydatkowaniem tych środków Departamentowi Energii. Wielkie korporacje, takie jak Microsoft, IBM i Lockheed Martin, także przyłączyły się do tej inicjatywy, dokładając do funduszu kolejne 340 milionów dolarów.

Chiny i Stany Zjednoczone nie są jedynymi krajami, które przeznaczają pieniądze publiczne na przyspieszenie rozwoju nowej technologii. Rząd Wielkiej Brytanii tworzy obecnie Narodowe Kwantowe Centrum Obliczeniowe, które będzie głównym ośrodkiem badań nad komputerami kwantowymi. Ma ono powstać w Laboratorium Harwella, które działa w hrabstwie Oxfordshire pod nadzorem brytyjskiej agencji rządowej Science and Technology Facilities Council (Rada ds. Infrastruktury Naukowej i Technicznej). Dzięki sprzyjającej polityce rządu pod koniec 2019 roku w Wielkiej Brytanii powstało trzydzieści start-upów związanych z komputerami kwantowymi.

Analitycy gospodarczy zdają sobie sprawę, że te inwestycje, warte biliony dolarów, są obarczone dużym ryzykiem. W tej sferze badań, w której toczy się zażarta rywalizacja, nie ma żadnych gwarancji. Mimo iż firmy takie jak Google dokonały w ostatnich latach imponującego postępu technicznego, będziemy musieli poczekać jeszcze wiele lat, zanim powstanie działający komputer kwantowy, który będzie potrafił rozwiązywać rzeczywiste problemy. Wcześniej musimy się uporać z mnóstwem trudnych do pokonania przeszkód. Pesymiści uważają, że może się ostatecznie okazać, iż było to szukanie wiatru w polu. Firmy komputerowe mają jednak świadomość, że jeśli nie podejmą tego ryzyka, mogą się przed nimi zatrzasnąć drzwi do dalszego rozwoju.

Ivan Ostojic, wspólnik w firmie konsultingowej McKinsey, uważa, że „firmy działające w gałęziach przemysłu, w których komputery kwantowe mogą doprowadzić do największego przewrotu, powinny już teraz zaangażować się w badania związane z technologią kwantową”4. W dziedzinach takich jak przemysł chemiczny, medyczny i wydobywczy, transport, logistyka, bankowość, farmaceutyka i cyberbezpieczeństwo możemy się spodziewać daleko idących zmian.

– W zasadzie – dodaje Ostojic – pojawienie się komputerów kwantowych będzie miało duże znaczenie dla wszystkich dyrektorów IT i przyczyni się do szybszego znalezienia rozwiązań wielu trudnych problemów. Te przedsiębiorstwa muszą rozwinąć kompetencje, które pozwolą im korzystać z techniki kwantowej.

Vern Brownell, były prezes kanadyjskiej firmy D-Wave Systems zajmującej się komputerami kwantowymi, zauważa:

– Sądzimy, że jesteśmy już o krok od uzyskania możliwości, które są całkowicie poza zasięgiem klasycznych komputerów.

Wielu uczonych wierzy, że wkraczamy w zupełnie nową erę, która doprowadzi do gruntownych przemian, porównywalnych z tymi, jakie nastąpiły po wprowadzeniu tranzystorów i układów scalonych. Nawet przedsiębiorstwa, które nie mają bezpośredniego związku z produkcją komputerów, takie jak gigant samochodowy Daimler, właściciel marki Mercedes-Benz, już teraz inwestują w nową technologię, ponieważ czują, że komputery kwantowe mogą otworzyć nowe możliwości rozwoju w ich obszarach działalności. Julius Marcea, dyrektor konkurencyjnej firmy BMW, napisał: „Z ogromnym zainteresowaniem badamy, jakie przemiany mogą się dokonać w przemyśle motoryzacyjnym za sprawą komputerów kwantowych, i bardzo zależy nam na poszerzeniu granic możliwości inżynierii”5. Inne wielkie przedsiębiorstwa, takie jak Volkswagen i Airbus, utworzyły własne wydziały obliczeń kwantowych, których zadaniem jest zbadanie możliwego wpływu nowej technologii na ich działalność gospodarczą.

Firmy farmaceutyczne również z dużą uwagą przyglądają się rozwojowi tej dziedziny, ponieważ doskonale zdają sobie sprawę z tego, że dzięki komputerom kwantowym będzie można przeprowadzać symulacje skomplikowanych procesów chemicznych i biologicznych, które obecnie całkowicie wykraczają poza możliwości komputerów cyfrowych. Ogromne zakłady badawcze, w których wykonuje się miliony testów nowych leków, mogą któregoś dnia zostać zastąpione „wirtualnymi laboratoriami” testującymi leki w cyberprzestrzeni. Pojawiły się nawet pełne niepokoju głosy, że takie komputery mogą kiedyś zastąpić samych farmaceutów. Derek Lowe, autor bloga poświęconego nowym lekom, uważa jednak, że „nie ma ryzyka, iż maszyny zastąpią farmaceutów. To raczej farmaceuci posługujący się nowymi urządzeniami zastąpią tych, którzy nie będą korzystali z takich możliwości”6.

Nawet uczeni przeprowadzający doświadczenia w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą, największym urządzeniu służącym do badań naukowych na świecie, w którym doprowadza się do zderzeń protonów z energią 14 bilionów elektronowoltów, by odtworzyć warunki panujące we wczesnym Wszechświecie, wykorzystują obecnie komputery kwantowe do przeszukiwania ogromnych zasobów danych. Dzięki temu mogą w ciągu jednej sekundy przeanalizować nawet bilion bajtów danych będących wynikiem eksperymentów, w których zbadano około miliarda zderzeń. Kto wie, może któregoś dnia komputery kwantowe odkryją tajemnice związane ze stworzeniem Wszechświata.

Kwantowa dominacja

W 2012 roku, gdy fizyk John Preskill z California Institute of Technology po raz pierwszy użył określenia „kwantowa dominacja”, wielu uczonych kręciło z niedowierzaniem głową. Byli przekonani, że muszą upłynąć jeszcze całe dziesięciolecia, jeśli nie stulecia, zanim komputery kwantowe zdołają prześcignąć stosowane obecnie komputery cyfrowe. W końcu przeprowadzanie obliczeń na pojedynczych atomach, a nie na układach krzemowych, wymaga pokonania niewyobrażalnych wprost trudności. Najsłabsze nawet drganie, najmniejszy szum może zaburzyć delikatny taniec atomów w komputerze kwantowym. Jednak wspomniane wcześniej, zdumiewające komunikaty o osiągnięciu kwantowej dominacji zadały kłam takim ponurym przepowiedniom. Teraz uwaga wszystkich skupia się wokół pytania o to, jak szybko może się rozwijać ta nowa dziedzina wiedzy.

Wstrząsy wywołane przez te niezwykłe osiągnięcia dotarły także do gabinetów najważniejszych tajnych agencji wywiadowczych na całym świecie. Dokumenty ujawnione przez sygnalistów pokazują, że CIA i National Security Agency (NSA, Agencja Bezpieczeństwa Narodowego) uważnie śledzą rozwój badań w tej dziedzinie, ponieważ komputery kwantowe są tak potężne, że w zasadzie mogą złamać każdy znany szyfr. To oznacza, że pilnie strzeżone tajemnice różnych rządów, zawierające najważniejsze, niezwykle wrażliwe dane, mogą się stać celem ataków. Podobnie zresztą zagrożone są tajemnice przedsiębiorstw, a nawet pojedynczych obywateli. Sytuacja jest na tyle niepokojąca, że nawet Narodowy Instytut Norm i Techniki (w skrócie NIST od ang. National Institute of Standards and Technology), zajmujący się w Stanach Zjednoczonych określaniem narodowej polityki norm, wydał niedawno zalecenia, które mają pomóc wielkim przedsiębiorstwom i agencjom rządowym w przygotowaniu planu przystosowania się do wyzwań nowej ery. Zdaniem NIST należy się liczyć z tym, że do 2029 roku komputery kwantowe będą potrafiły łamać 128-bitowy szyfr AES, z którego korzysta wiele przedsiębiorstw. W magazynie „Forbes” Ali El Kaafarani zauważa: „Jest to dość przerażająca perspektywa dla każdej organizacji, która przechowuje wrażliwe informacje wymagające zabezpieczenia”7.

Rząd chiński przeznaczył 10 miliardów dolarów na stworzenie Narodowego Laboratorium Informatyki Kwantowej, ponieważ chce uzyskać pozycję lidera w tej ważnej, szybko rozwijającej się dziedzinie. Tak duża inwestycja ma zapewnić bezpieczeństwo i chronić powstające programy komputerowe przed dostaniem się w niepowołane ręce. Haker mający dostęp do komputera kwantowego mógłby się włamać do każdego komputera cyfrowego na planecie, paraliżując działalność przedsiębiorstw, a nawet wojska. Dostęp do dowolnej wrażliwej informacji byłby wtedy jedynie kwestią ceny. Rynki finansowe mógłby ogarnąć chaos spowodowany włamaniem się do najpilniej strzeżonych serwerów Wall Street. Komputery kwantowe mogłyby także obrócić wniwecz zabezpieczenia technologii blockchain, siejąc spustoszenie na rynku kryptowalut takich jak bitcoin. Deloitte szacuje, że około 25 procent bitcoinów jest narażonych na kradzież za pomocą użyciu komputera kwantowego.

„Organizacje korzystające z zabezpieczeń blockchain z pewnością z dużym niepokojem patrzą na postępy w pracach nad skonstruowaniem komputera kwantowego” – czytamy w podsumowaniu raportu przygotowanego przez firmę konsultingową CB Insights.

Stawką w tym wyścigu jest więc ni mniej, ni więcej, tylko gospodarka całego świata, obecnie tak ściśle związana z technologią cyfrową. Banki notowane na Wall Street wykorzystują komputery do przechowywania informacji o wielomiliardowych transakcjach. Inżynierowie posługują się komputerami do projektowania wieżowców, mostów i rakiet. Artyści używają komputerów do tworzenia wspaniałych animacji w hollywoodzkich przebojach kinowych. Firmy farmaceutyczne wykorzystują komputery do poszukiwania kolejnego cudownego leku. Nawet małe dzieci posługują się komputerami, gdy grają z kolegami w najnowszą grę. Ponadto wszyscy uzależniliśmy się od telefonów komórkowych, dzięki którym dostajemy na bieżąco wiadomości od znajomych, partnerów biznesowych i krewnych. Chyba każdy z nas doświadczył kiedyś chwili paniki, gdy wydawało mu się, że nie może znaleźć swojego telefonu. Prawdę mówiąc, trudno byłoby wymienić jakąkolwiek dziedzinę ludzkiej działalności, która nie została wywrócona do góry nogami za sprawą komputerów. Tak się już od nich uzależniliśmy, że gdyby z jakiegoś powodu wszystkie komputery na świecie przestały nagle działać, cała cywilizacja pogrążyłaby się w chaosie. Właśnie dlatego uczeni z taką uwagą śledzą rozwój komputerów kwantowych.

Koniec prawa Moore’a

Co jest przyczyną całego tego zamieszania i związanej z nim polemiki?

Powstanie komputerów kwantowych oznacza, że epoka krzemu powoli zbliża się do końca. Przez ostatnie pół wieku naukowcy opisywali rozwój mocy obliczeniowej komputerów za pomocą prawa Moore’a, nazwanego tak na cześć jednego z założycieli firmy Intel, Gordona Moore’a. Głosi ono, że moc obliczeniowa komputerów podwaja się co półtora roku. To pozornie proste prawo opisywało proces niesamowicie szybkiego, wykładniczego wzrostu mocy komputerów, który nie ma swojego odpowiednika w całej historii ludzkości. Żaden inny wynalazek nie wpłynął na ludzi tak dogłębnie w tak krótkim czasie.

Historia rozwoju komputerów dzieli się na wiele etapów, które za każdym razem prowadziły do zdecydowanego wzrostu mocy obliczeniowej maszyn liczących i wywoływały daleko idące zmiany w społeczeństwie. Prawdę mówiąc, prawo Moore’a można ekstrapolować wstecz w czasie aż do XIX wieku, czyli do epoki komputerów mechanicznych. W tamtym okresie inżynierowie stosowali obrotowe walce, koła zębate, przekładnie i koła do konstrukcji urządzeń pozwalających wykonywać proste działania arytmetyczne. Na początku minionego stulecia w kalkulatorach tego typu zaczęto wykorzystywać prąd elektryczny, zastępując koła zębate przekaźnikami i kablami. Podczas drugiej wojny światowej komputery zawierające olbrzymią liczbę lamp elektronowych służyły do łamania szyfrów stosowanych przez wrogie kraje. Po wojnie lampy elektronowe zostały wyparte przez tranzystory, które następnie udało się zminiaturyzować, co przyczyniło się do gwałtownego wzrostu szybkości i mocy obliczeniowej komputerów.

W latach pięćdziesiątych XX wieku na zakup komputera mainframe mogły sobie pozwolić tylko największe firmy i agencje rządowe, takie jak Pentagon i banki międzynarodowe. Były to potężne urządzenia (komputer ENIAC potrafił na przykład wykonać w ciągu trzydziestu sekund obliczenia, które człowiekowi zajęłyby dwadzieścia godzin), ale jednocześnie kosztowne i nieporęczne – komputer zajmował nierzadko całe piętro budynku. Potem jednak pojawiły się układy scalone, które zrewolucjonizowały technikę komputerową. W ciągu kilku dziesięcioleci rozmiar komputera zmniejszył się do tego stopnia, że obecnie typowy układ scalony wielkości paznokcia zawiera około miliarda tranzystorów. Dzisiejsze telefony komórkowe używane przez dzieci do grania w gry wideo mają większą moc obliczeniową niż cała sala wypełniona owymi komputerowymi dinozaurami, których kiedyś używano w Pentagonie. Nie widzimy nic nadzwyczajnego w tym, że komputer w naszej kieszeni przewyższa mocą obliczeniową maszyny obliczeniowe używane podczas drugiej wojny światowej.

Wszystko ma swój kres. Z każdym nowym etapem w rozwoju techniki komputerowej poprzednie rozwiązania odchodzą do lamusa. Jest to swoisty proces twórczej destrukcji. Rzeczywisty wzrost mocy obliczeniowej komputerów już teraz jest wolniejszy, niż opisuje to prawo Moore’a, i niewykluczone, że w końcu ulegnie zatrzymaniu. Wynika to stąd, że układy scalone są już tak gęsto upakowane, iż najcieńsza warstwa tranzystorów ma grubość mniej więcej dwudziestu atomów. Jeśli zmniejszymy tę wartość do około pięciu atomów, położenie elektronu stanie się niepewne i w takich urządzeniach będzie dochodziło do niekontrolowanego przepływu prądu powodującego zwarcia lub wytworzenie się tak dużej ilości ciepła, że układ zacznie się topić. Innymi słowy, z praw fizyki wynika, że prawo Moore’a musi w końcu przestać obowiązywać, jeśli krzem pozostanie głównym materiałem, z którego konstruujemy układy scalone. Bardzo możliwe więc, że niedługo będziemy świadkami końca epoki krzemu. Kolejnym etapem może być epoka pokrzemowa lub epoka kwantowa.

Jak zauważył Sanjay Natarajan, projektant układów scalonych z firmy Intel:

– Wydaje się, że wycisnęliśmy już z tej architektury wszystko, co się dało8.

Dolina Krzemowa może się ostatecznie zmienić w drugi „pas rdzy”. Choć wydaje się, że obecnie nie ma jeszcze powodów do obaw, nowa rzeczywistość nieubłaganie się zbliża. Hartmut Neven, dyrektor laboratorium sztucznej inteligencji w firmie Google, zauważa:

– Mamy wrażenie, że nic się nie dzieje…, nic się nie dzieje…, a potem nagle, bum! i jesteśmy w zupełnie innym świecie9.

Dlaczego są tak potężne?

Co sprawia, że komputery kwantowe są tak potężne, iż wszystkie kraje starają się za wszelką cenę zdobyć tę nową technologię?

W zasadzie wszystkie współczesne komputery przetwarzają informację w postaci cyfrowej, którą można zapisać w formie ciągów zer i jedynek. Najmniejszą jednostkę informacji, którą jest pojedyncza cyfra, nazywa się bitem. Ciągi zer i jedynek wprowadza się do procesora cyfrowego, który wykonuje obliczenia i podaje na wyjściu wynik. Szybkość łącza internetowego mierzy się w bitach na sekundę, w skrócie b/s lub bps (od ang. bits per second), i na przykład wartość 100 Mb/s, czyli 100 megabitów na sekundę oznacza, że w ciągu każdej sekundy do komputera dociera 100 milionów bitów, dzięki czemu możemy oglądać filmy, wysyłać e-maile, pobierać dokumenty i tak dalej.

Laureat Nagrody Nobla Richard Feynman wyobraził sobie jednak już w 1959 roku inne podejście do przetwarzania informacji cyfrowej. W proroczym, przełomowym artykule zatytułowanym There’s Plenty of Room at the Bottom (Na dole jest mnóstwo miejsca), a także w następnych pracach postawił ciekawe pytania: Może powinniśmy zastąpić takie ciągi zer i jedynek stanami atomów, tworząc w ten sposób komputer atomowy? Może warto się zastanowić nad zastąpieniem tranzystorów najmniejszymi obiektami, jakie istnieją, czyli atomami?

Atomy mają pewne własności kwantowe, które powodują, że można je sobie wyobrażać jako obracające się bąki – takie, jakimi bawią się dzieci. W polu magnetycznym mogą się ustawiać w górę albo w dół względem kierunku pola – te dwa stany będą odpowiadać cyfrom 0 i 1. Moc obliczeniowa komputera cyfrowego jest związana z liczbą stanów (zer i jedynek), które można w nim zmieścić.

Za sprawą niezwykłych praw obowiązujących w świecie subatomowym atomy wirują jednak w taki sposób, że ich stan może być dowolną kombinacją obu tych możliwości. Możemy mieć na przykład stan, w którym przez 10 procent czasu atom wiruje w pozycji skierowanej w górę, a przez pozostałe 90 procent obraca się skierowany w dół. Może też spędzać 65 procent czasu skierowany w górę, a przez 35 procent wirować tak, że będzie skierowany w dół. Prawdę mówiąc, istnieje nieskończenie duża liczba sposobów wirowania pojedynczego atomu. To znacznie zwiększa liczbę możliwych stanów. Jeden atom może zatem przenosić o wiele więcej informacji, której nie wyraża się pojedynczym bitem, ale kubitem (ang. qbit, od quantum bit – bit kwantowy), to znaczy jednoczesną mieszanką obu dozwolonych stanów (oznaczających atom skierowany w dół lub w górę). W tradycyjnych komputerach pojedyncze cyfry mogą przenosić tylko jeden bit informacji naraz, co ogranicza wydajność urządzeń, kubity mają natomiast niemal nieograniczoną pojemność. Zjawisko polegające na tym, że na poziomie atomowym obiekty mogą istnieć jednocześnie w wielu różnych stanach, nazywamy superpozycją. (To oznacza też, że w świecie atomów znane nam, intuicyjnie rozumiane prawa w wielu sytuacjach przestają obowiązywać. W tej skali elektrony mogą być na przykład w dwóch miejscach naraz, co jest niemożliwe w przypadku większych obiektów).

Kubity mogą też oddziaływać ze sobą, co nie może się zdarzyć w świecie zwyczajnych bitów. Chodzi o tak zwane zjawisko splątania kwantowego. Bity cyfrowe są stanami całkowicie od siebie niezależnymi, kubity mogą natomiast na siebie wpływać i za każdym razem, gdy dodajemy do układu kolejny kubit, oddziałuje on ze wszystkimi kubitami, które istniały tam do tej pory, co oznacza, że liczba możliwych interakcji za każdym razem ulega podwojeniu. Zatem w odróżnieniu od komputerów cyfrowych komputery kwantowe już z racji samej swej natury mają moc obliczeniową, która rośnie wykładniczo, ponieważ za każdym razem, gdy dodajemy nowy kubit, podwajamy liczbę możliwych oddziaływań.

Istniejące obecnie komputery kwantowe mogą zawierać ponad 100 kubitów. To oznacza, że ich moc obliczeniowa jest 2100 razy większa od mocy komputera z jednym tylko kubitem.

Zbudowany przez firmę Google komputer kwantowy Sycamore, który pierwszy pokonał próg dominacji kwantowej, zawiera 53 kubity, co pozwala na przetwarzanie 72 trylionów bajtów informacji. Przy komputerze kwantowym takim jak Sycamore tradycyjny komputer wydaje się niepozornym karłem.

Możliwości wykorzystania takich urządzeń w celach biznesowych i naukowych są ogromne. Ponieważ ostatecznie może dojść do przeobrażenia całej gospodarki, która przestanie bazować na technice cyfrowej i zacznie się opierać na technologii kwantowej, gra toczy się o bardzo wysoką stawkę.

Od skoków szybkości do komputerów kwantowych

W tym miejscu nasuwa się kolejne pytanie: dlaczego komputery kwantowe nie są jeszcze dostępne w sklepach? Dlaczego żaden przedsiębiorczy wynalazca nie skonstruował jeszcze takiej maszyny potrafiącej złamać każdy znany szyfr?

Problem, z którym muszą się mierzyć komputery kwantowe, przewidział już Richard Feynman. Wspomina o nim w pierwszym artykule, w którym opisał koncepcję takiego komputera. Chodzi o to, że jeśli komputery kwantowe mają działać, to atomy muszą być ułożone w taki sposób, by drgały tak samo. Taki stan nazywa się koherencją. Trudność polega na tym, że atomy są niewiarygodnie małymi i wrażliwymi obiektami. Najmniejsze zanieczyszczenie lub najsłabsze zaburzenie docierające z zewnątrz może zniszczyć żmudnie konstruowaną koherencję atomów, obracając wniwecz całe obliczenia. Ta wrażliwość jest głównym problemem związanym z komputerami kwantowymi. Zatem pytanie za miliard dolarów brzmi: czy możemy jakoś zapobiegać dekoherencji?

Aby zminimalizować szkodliwy wpływ środowiska zewnętrznego, uczeni używają specjalnych urządzeń do obniżania temperatury do wartości bliskiej zera bezwzględnego, ponieważ w takich warunkach niepożądane drgania są najsłabsze. To jednak wymaga stosowania kosztownych, specjalnych pomp i turbin pozwalających osiągnąć tak niską temperaturę.

W tym miejscu pojawia się jednak zagadka. Matka Natura bez żadnego kłopotu korzysta z mechaniki kwantowej w temperaturze pokojowej. Cudowne zjawisko fotosyntezy, jeden z najważniejszych procesów zachodzących na Ziemi, jest procesem kwantowym, a mimo to przebiega w normalnej temperaturze. Aby doprowadzić do fotosyntezy, Matka Natura nie potrzebuje laboratorium wypełnionego skomplikowanymi urządzeniami, które obniżają temperaturę do wartości bliskiej zera bezwzględnego. Z powodów, których wciąż do końca nie rozumiemy, przyroda potrafi utrzymać koherencję nawet podczas ciepłego, słonecznego dnia, mimo iż zaburzenia docierające z zewnątrz powinny w takiej sytuacji rozpętać prawdziwy chaos na poziomie atomowym. Jeśli kiedyś uda nam się odkryć, w jaki sposób Matka Natura dokonuje tego cudu, to być może zdołamy zapanować nad światem kwantowym, a może i nad samym życiem.

Rewolucja gospodarcza

Choć w krótkiej perspektywie czasu komputery kwantowe stanowią zagrożenie dla cyberbezpieczeństwa, to jednak w dłuższej perspektywie mogą znaleźć wiele praktycznych zastosowań. Ich ogromna moc obliczeniowa może zrewolucjonizować gospodarkę światową, stworzyć dla nas pewniejszą przyszłość i wprowadzić nas w epokę medycyny kwantowej, w której odkryjemy leki na nieuleczalne dotychczas choroby.

Można wskazać wiele dziedzin, w których komputery kwantowe będą miały przewagę nad komputerami cyfrowymi:

1. Wyszukiwanie informacji

W przeszłości miarą bogactwa kraju lub przedsiębiorstwa była ilość posiadanej ropy naftowej i złota. Obecnie coraz częściej mierzy się je zasobem posiadanych danych. Kiedyś przedsiębiorstwa wyrzucały stare, nieaktualne dane finansowe, ale obecnie uważa się, że ta informacja jest cenniejsza od metali szlachetnych. Przeszukiwanie ogromnych ilości danych może się okazać zadaniem zbyt czasochłonnym dla konwencjonalnego komputera cyfrowego, ale doskonale nadają się do tego komputery kwantowe, które w mgnieniu oka znajdą igłę w stogu siana. Takie komputery mogą przeprowadzić analizę danych finansowych przedsiębiorstwa i wskazać kilka konkretnych czynników, które hamują dalszy rozwój firmy.

Firma konsultingowa JPMorgan Chase nawiązała nawet niedawno współpracę z firmami IBM i Honeywell w celu usprawnienia procesu przetwarzania danych, poprawy jakości analizy ryzyka i niepewności, a także zwiększenia wydajności oferowanych usług.

2. Optymalizacja

Gdy komputery kwantowe przeszukają już dane i znajdą w nich kluczowe czynniki, pojawi się kolejne pytanie o to, w jaki sposób należy je zmodyfikować, by zwiększyć wartość interesujących nas wskaźników, takich jak na przykład zyskowność. Wydaje się, że duże przedsiębiorstwa, uniwersytety i agencje rządowe będą wykorzystywały komputery kwantowe do minimalizacji wydatków oraz zwiększenia wydajności i zysków. Dochody netto każdej firmy zależą od setek różnych czynników, takich jak płace, sprzedaż czy wydatki, które bardzo szybko zmieniają się w czasie. Zadanie znalezienia odpowiedniej kombinacji tych niezliczonych wskaźników, która pozwoli zmaksymalizować zysk, może przekraczać możliwości tradycyjnego komputera cyfrowego. Firma finansowa mogłaby natomiast wykorzystywać komputery kwantowe do przewidywania zachowania określonych rynków finansowych, na których każdego dnia dokonuje się transakcji wartych miliardy dolarów. Komputery kwantowe mogłyby nam pomóc w realizacji właśnie tego typu zadań, zapewniając ogromną moc obliczeniową potrzebną do optymalizacji skomplikowanych procesów.

3. Symulacje

Komputery kwantowe będą potrafiły rozwiązywać skomplikowane równania, z którymi nie mogą sobie poradzić komputery cyfrowe. Firmy inżynierskie będą mogły na przykład wykorzystywać je do obliczania aerodynamiki odrzutowców, samolotów i samochodów w poszukiwaniu idealnego kształtu, który pozwoli zmniejszyć tarcie, zminimalizować koszty i zwiększyć wydajność. Rządy różnych krajów zastosują komputery kwantowe do przewidywania pogody, wyznaczania trajektorii niszczycielskich huraganów lub obliczenia, jak globalne ocieplenie wpłynie na gospodarkę i życie społeczne za kilkadziesiąt lat. Uczeni będą mogli natomiast wykorzystać je na przykład do znalezienia najlepszej konfiguracji magnesów w gigantycznych reaktorach termojądrowych, które pozwolą czerpać energię z syntezy wodoru i „zamknąć Słońce w butelce”.

Największą jednak korzyść przyniesie chyba użycie komputerów kwantowych do przeprowadzenia symulacji procesów chemicznych związanych z życiem. Spełnieniem marzeń uczonych byłaby możliwość ustalenia wyniku dowolnej reakcji chemicznej na poziomie atomowym przez wykonanie samej tylko symulacji w komputerze kwantowym, bez konieczności użycia jakichkolwiek związków chemicznych. Celem naukowców zajmujących się nową gałęzią wiedzy zwaną chemią obliczeniową jest określenie własności związków chemicznych nie przez wykonywanie doświadczeń, ale na drodze symulacji komputerowych, które pewnego dnia mogą całkowicie wyeliminować konieczność przeprowadzania kosztownych i czasochłonnych badań laboratoryjnych. Aby to było możliwe, musimy wyrazić całą biologię, medycynę i chemię za pomocą procesów zachodzących w sferze mechaniki kwantowej. Otrzymamy wówczas „wirtualne laboratorium”, w którym będzie można szybko wypróbować nowe leki, terapie i szczepionki w pamięci komputera kwantowego, bez konieczności stosowania żmudnej metody prób i błędów opartej na prowadzeniu długotrwałych doświadczeń laboratoryjnych. Zamiast wykonywać tysiące złożonych, kosztownych i czasochłonnych doświadczeń chemicznych, eksperymentatorzy będą mogli po prostu nacisnąć przycisk komputera kwantowego.

4. Połączenie sztucznej inteligencji z komputerem kwantowym

Sztuczna inteligencja (w skrócie AI, od ang. artificial intelligence) charakteryzuje się umiejętnością uczenia się na własnych błędach, dzięki czemu nadaje się do wykonywania coraz bardziej złożonych zadań. Już teraz jest bardzo przydatna w przemyśle i medycynie. Jednym z ograniczeń sztucznej inteligencji jest jednak konieczność przetwarzania ogromnej ilości informacji, której jest tak dużo, że w wielu przypadkach konwencjonalne komputery cyfrowe nie dają sobie rady z jej analizą. Tymczasem umiejętność przeszukiwania gigantycznych zbiorów danych jest przecież jedną z mocnych stron komputerów kwantowych. Wydaje się więc, że łącząc sztuczną inteligencję z komputerami kwantowymi, możemy znacznie powiększyć możliwości powstających urządzeń i rozwiązać za ich pomocą różnego rodzaju problemy.

Inne zastosowania komputerów kwantowych

Ogromna moc obliczeniowa komputerów kwantowych może doprowadzić do transformacji całych gałęzi przemysłu. Niewykluczone na przykład, że dzięki nim uda nam się w końcu wejść w epokę energii słonecznej. Futuryści i wizjonerzy już od wielu dziesięcioleci mówią o konieczności porzucenia paliw kopalnych i przejścia na odnawialne źródła energii, by ograniczyć efekt cieplarniany, który powoduje ogrzewanie się planety. Całe rzesze myślicieli i marzycieli od dawna wychwalają zalety takich źródeł energii, a mimo to epoka energii słonecznej wciąż nie może się jakoś rozpocząć.

Choć ceny turbin wiatrowych i paneli słonecznych znacznie spadły, tego typu urządzenia wciąż wytwarzają tylko niewielką część energii produkowanej na świecie. Pytanie brzmi: co się stało?

Każde nowe rozwiązanie techniczne musi się zmierzyć z podstawowym ograniczeniem, jakim jest koszt jego zastosowania. Zwolennicy pozyskiwania energii słonecznej i wiatrowej już od dziesięcioleci przekonują o korzyściach z takich rozwiązań, ale musimy się liczyć z twardymi faktami, z których wynika, że produkcja energii ze źródeł odnawialnych jest, średnio rzecz biorąc, droższa niż wytwarzanie jej z paliw kopalnych. Przyczyna tego jest oczywista. Gdy Słońce nie świeci, a wiatr nie wieje, urządzenia do pozyskiwania energii odnawialnej stoją zupełnie bezczynnie i zbierają jedynie kurz.

Największym problemem stojącym na drodze do ery energii słonecznej, o którym bardzo często się zapomina, jest konieczność stosowania akumulatorów. Tak bardzo już przywykliśmy do tego, że moc obliczeniowa komputerów rośnie w sposób wykładniczy, że podświadomie zakładamy, iż możliwości pozostałych urządzeń elektronicznych również muszą się zwiększać z taką samą szybkością.

Możliwości komputerów zwiększały się w tak zawrotnym tempie między innymi dlatego, że do wytrawiania maleńkich tranzystorów w płytkach krzemowych używa się promieniowania ultrafioletowego o coraz mniejszej długości fali. Akumulatory buduje się jednak zupełnie inaczej. Są to mało eleganckie urządzenia, w których wykorzystuje się złożone oddziaływanie różnych dziwnych substancji chemicznych. Badania mające na celu zwiększenie ich pojemności są żmudne i czasochłonne. Kolejne usprawnienia odkrywa się metodą prób i błędów, a nie na drodze wytrawiania struktury urządzeń światłem o coraz mniejszej długości fali. Co więcej, energia przechowywana w pojedynczym akumulatorze jest tylko niewielkim ułamkiem tej, którą zawiera taka sama ilość benzyny.

Komputery kwantowe mogą to zmienić. Za ich pomocą będziemy w stanie przeprowadzić symulacje tysięcy różnych reakcji chemicznych, jakie mogą zachodzić, bez potrzeby wykonywania doświadczeń w laboratorium. Dzięki temu na pewno uda się znaleźć jakiś wydajniejszy proces, który stanie się podstawą działania o wiele doskonalszego akumulatora i pozwoli nam wkroczyć w epokę energii słonecznej.

Już teraz przedsiębiorstwa energetyczne i samochodowe wykorzystują udostępnione przez IBM komputery kwantowe pierwszej generacji do poszukiwania sposobów na pokonanie ograniczeń związanych z konstrukcją akumulatora. Konstruktorom zależy na przykład na zwiększeniu pojemności i szybkości ładowania akumulatorów litowo-siarkowych. To jednak tylko jeden ze sposobów na ograniczenie wpływu człowieka na zmiany klimatyczne. Firma ExxonMobil próbuje zmierzyć się z tym problemem w inny sposób i wykorzystuje komputery kwantowe IBM do odkrycia nowych związków chemicznych, które pozwolą lepiej przetwarzać energię i wychwytywać węgiel. W szczególności chodzi o użycie komputerów kwantowych do przeprowadzenia symulacji różnego rodzaju materiałów i określenia ich właściwości, na przykład takich jak pojemność cieplna.

Jeremy O’Brien, jeden z założycieli firmy PsiQuantum, podkreśla, że w tej rewolucji wcale nie chodzi o budowanie coraz szybszych komputerów. Głównym celem jest zmierzenie się z problemami takimi jak badanie złożonych reakcji chemicznych i biologicznych, których nie można rozwiązać za pomocą komputerów konwencjonalnych, nawet gdybyśmy mieli na to dowolnie dużo czasu.

– Nie mówimy tu o tym, że chcielibyśmy zrobić to szybciej lub lepiej – wyjaśnia O’Brien – ale o tym, że chcielibyśmy w ogóle mieć możliwość zrealizowania takich celów. […] Tego typu problemy wykraczają poza możliwości konwencjonalnych komputerów, nawet tych, które powstaną w przyszłości. […] Nawet gdybyśmy wydobyli wszystkie atomy krzemu dostępne na naszej planecie i przekształcili je w jeden wielki superkomputer, to i tak nie zdołalibyśmy rozwiązać tych […] trudnych zagadnień10.

Wyżywienie planety

Innym kluczowym problemem, w którego rozwiązaniu mogą pomóc komputery kwantowe, jest wyżywienie stale powiększającej się populacji naszej planety. Niektóre bakterie potrafią bez większego trudu pobierać azot z powietrza i przekształcać go w amoniak, który z kolei przetwarza się w związki chemiczne służące do nawożenia gleby. Dzięki procesowi wiązania azotu życie na Ziemi może się bujnie rozwijać, ponieważ zapewnia on wzrost roślin, które są podstawą wyżywienia ludzi i zwierząt. W latach sześćdziesiątych XX wieku Organizacja Narodów Zjednoczonych ogłosiła program rozwoju rolnictwa, znany jako „zielona rewolucja”, którego realizacja była możliwa dzięki temu, że chemikom udało się odtworzyć ten naturalny proces za pomocą metody Habera i Boscha. Metoda ta wymaga jednak zużycia dużej ilości energii – nawet 2 procent energii wytwarzanej na całym świecie przeznacza się na produkcję nawozów tą metodą. Doszło więc do kuriozalnej sytuacji. Zużywamy znaczny ułamek energii wytwarzanej na całym świecie tylko po to, by wyprodukować coś, co bakterie robią za darmo.

W tym miejscu rodzi się pytanie: czy komputery kwantowe pomogą nam znaleźć jakąś wydajniejszą metodę produkcji nawozów i zainicjować drugą zieloną rewolucję? Niektórzy futuryści przewidują, że jeśli nie nastąpi druga zielona rewolucja wspierająca rozwój rolnictwa, dojdzie w końcu do katastrofy ekologicznej, ponieważ coraz trudniej będzie nam wyżywić stale powiększającą się populację świata. Jeśli nie rozwiążemy tego problemu, coraz większe klęski głodu doprowadzą do zamieszek na skalę światową.

Badacze z firmy Microsoft podjęli już pierwsze próby wykorzystania komputerów kwantowych do zwiększenia wydajności nawozów i odkrycia tajemnic procesu wiązania azotu. Być może kiedyś komputery kwantowe pomogą nam obronić ludzką cywilizację przed zagrożeniami, które sami stwarzamy. Innym cudem natury jest fotosynteza, w wyniku której światło słoneczne i dwutlenek węgla zmieniają się w tlen i glukozę – dwie substancje umożliwiające istnienie niemal wszystkich zwierząt zamieszkujących planetę. Bez fotosyntezy łańcuch pokarmowy uległby całkowitemu załamaniu i życie na Ziemi bardzo szybko by wyginęło.

Uczeni już od wielu dziesięcioleci próbują dogłębnie poznać poszczególne etapy tej skomplikowanej reakcji, badając żmudnie wszystkie cząsteczki biorące w niej udział. Ostatecznie okazało się, że proces prowadzący do przekształcenia światła w cukier ma naturę kwantową. Po wielu latach badań naukowcy wskazali miejsca, w których efekty kwantowe mają decydujący wpływ, ale ich dalsze zbadanie wykracza poza możliwości komputerów cyfrowych. Przeprowadzenie sztucznej fotosyntezy, która mogłaby przebiegać wydajniej niż naturalna, wciąż pozostaje nieuchwytnym celem, odległym marzeniem najlepszych specjalistów w tej dziedzinie.

Kto wie, może komputery kwantowe pomogą nam w opracowaniu bardziej wydajnej, syntetycznej fotosyntezy, a może nawet pozwolą znaleźć jakiś zupełnie nowy sposób przechwytywania i wykorzystywania energii słonecznej. Od tego może zależeć przyszłość produkcji żywności na całej planecie.

Narodziny medycyny kwantowej

Jest zatem bardzo możliwe, że komputery kwantowe przyczynią się do poprawy kondycji środowiska naturalnego i bujnego wzrostu roślin. Mogą nam też jednak pomóc w ratowaniu chorych i umierających. Chodzi nie tylko o to, że dzięki komputerom kwantowym będziemy mogli analizować skuteczność milionów potencjalnych leków o wiele szybciej niż za pomocą komputerów tradycyjnych. Istotniejsze jest to, że komputery kwantowe pomogą nam odkryć same przyczyny chorób.

Mogą się one okazać bardzo przydatne na przykład w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania takie, jak: co sprawia, że zdrowe komórki zmieniają się nagle w komórki nowotworowe, i co możemy zrobić, żeby powstrzymać ten proces? Co wywołuje chorobę Alzheimera? Dlaczego choroba Parkinsona i stwardnienie zanikowe boczne są nieuleczalne? Niedawno przekonaliśmy się, że koronawirus szybko ulega mutacji, ale jak określić zagrożenie wynikające z pojawienia się nowych mutacji i jak sprawdzić reakcję nowych szczepów wirusa na stosowane obecnie metody leczenia?

Największymi odkryciami w medycynie są niewątpliwie antybiotyki i szczepionki. Nowych antybiotyków poszukuje się jednak głównie metodą prób i błędów, ponieważ badacze nie rozumieją, jak działają one na poziomie cząsteczkowym. Szczepionki natomiast pobudzają jedynie nasz organizm do produkcji związków chemicznych zwalczających szkodliwe wirusy. W obu przypadkach szczegółowe procesy zachodzące na poziomie cząsteczkowym pozostają zagadką i komputery kwantowe mogą nam pomóc w zdobyciu wiedzy niezbędnej do odkrycia lepszych szczepionek i antybiotyków.

Jeśli chodzi o zrozumienie ludzkiego organizmu, to pierwszym gigantycznym krokiem na drodze do osiągnięcia tego celu była realizacja projektu poznania ludzkiego genomu, dzięki któremu udało się skatalogować 3 miliardy par zasad i 20 tysięcy genów tworzących plan budowy ludzkiego ciała. Jednak to dopiero początek. Problem polega na tym, że komputery cyfrowe wykorzystuje się głównie do przeszukiwania baz danych zawierających znane kody genetyczne, ale zupełnie nie radzą sobie one z poszukiwaniem odpowiedzi na pytanie, jak DNA i białka realizują wszystkie te cudowne funkcje w naszym ciele. Białka tworzą skomplikowane struktury, nierzadko zbudowane z tysięcy atomów, które zwijają się w niewielką kulkę w ściśle określony, niewyjaśniony sposób, by spełnić swoją funkcję. Na najbardziej podstawowym poziomie wszystkie procesy życiowe sprowadzają się do mechaniki kwantowej i w związku z tym ich wyjaśnienie całkowicie przekracza możliwości komputerów cyfrowych.

Za pomocą komputerów kwantowych uda nam się być może osiągnąć następny etap, w którym poznamy mechanizmy działające na poziomie cząsteczkowym. Dzięki temu uczeni dowiedzą się, jak przebiegają te procesy, i będą mogli opracować nowe mechanizmy genetyczne, terapie i leki do zwalczania nieuleczalnych do tej pory chorób. Firmy farmaceutyczne, między innymi ProteinQure, Merck i Biogen, tworzą już teraz specjalne centra badawcze, które mają ocenić, w jaki sposób komputery kwantowe mogą w przyszłości wpłynąć na poszukiwanie nowych leków.

Uczeni z podziwem odkrywają, że Matka Natura wykorzystuje ogromny arsenał mechanizmów molekularnych, dzięki którym mogło powstać życie. Mechanizmy te są jednak dziełem przypadku i wynikiem doboru naturalnego, który działa od miliardów lat. Między innymi dlatego cierpimy na pewne nieuleczalne choroby i nieuchronnie się starzejemy. Gdy uda nam się zrozumieć, jak działają te mechanizmy na poziomie cząsteczkowym, będziemy mogli wykorzystać komputery kwantowe do ich poprawy, a nawet stworzenia zupełnie nowych wersji takich naturalnych procesów.

Uczeni zajmujący się genomiką DNA wykorzystują na przykład komputery do wykrywania genów, takich jak BRCA1 i BRCA2, które mogą prowadzić do rozwinięcia się raka piersi. Komputery cyfrowe w żaden sposób nie pomogą nam jednak w ustaleniu, jak te wadliwe geny przyczyniają się do powstania nowotworu. Nie przydadzą się również do odkrycia mechanizmów pozwalających zatrzymać rozprzestrzenianie się choroby nowotworowej w organizmie. Jedynie komputery kwantowe mogą nam pomóc w wyjaśnieniu szczegółów procesów molekularnych zachodzących w ludzkim układzie odpornościowym, co pozwoli na opracowanie nowych leków i terapii zwalczających takie choroby.

Innym przykładem może być choroba Alzheimera, która zdaniem niektórych analityków stanie się wkrótce „chorobą stulecia”, ponieważ populacja Ziemi nieustannie się starzeje. Dzięki komputerom cyfrowym udało się odkryć, że z chorobą tą związane są mutacje pewnych genów, takich jak ApoE4. Tradycyjne komputery nie pomogą nam jednak w wyjaśnieniu, dlaczego tak jest.

Jedna z najbardziej popularnych teorii głosi, że choroba Alzheimera jest wywoływana przez priony, czyli określone białka amyloidowe, które zwijają się w mózgu w nieodpowiedni sposób. Gdy taka szkodliwa cząsteczka zderza się z inną cząsteczką białka, powoduje, że ona również zwija się w niepoprawny sposób. W ten sposób choroba rozprzestrzenia się drogą bezpośredniego kontaktu cząsteczek, bez udziału bakterii i wirusów. Podejrzewa się, że szkodliwe priony mogą być czynnikiem wywołującym choroby Alzheimera, Parkinsona, stwardnienie zanikowe boczne i wiele innych nieuleczalnych chorób, które dotykają ludzi w podeszłym wieku.

Mechanizm zwijania się białek jest więc jednym z ważnych, wciąż niewyjaśnionych problemów biologii. Niewykluczone, że stanowi on klucz do rozwiązania zagadki powstania życia. Ustalenie jednak, jak zwijają się cząsteczki białka, całkowicie wykracza poza możliwości jakiegokolwiek konwencjonalnego komputera. Możemy mieć jedynie nadzieję, że komputery kwantowe pomogą nam odkryć nowe sposoby walki ze szkodliwymi białkami, które staną się podstawą udanych metod leczenia.

Jest bardzo możliwe, że przyszłością medycyny okaże się wspomniane wcześniej połączenie sztucznej inteligencji z komputerami kwantowymi. Uczeni już teraz wykorzystują programy ze sztuczną inteligencją, takie jak AlphaFold, dzięki którym udało im się sporządzić szczegółową mapę struktury atomowej 350 tysięcy różnych rodzajów białek, w tym wszystkich wchodzących w skład ludzkiego organizmu. Kolejnym krokiem będzie skorzystanie z niezwykłych możliwości komputerów kwantowych w celu ustalenia, w jaki sposób białka te realizują swoje funkcje, co pozwoli opracować leki nowej generacji i przygotować skuteczne metody leczenia.

Komputery kwantowe łączy się już z sieciami neuronowymi, aby stworzyć zupełnie nową generację maszyn uczących się, które będą się potrafiły same udoskonalać. Laptop leżący na moim biurku nigdy niczego się nie nauczy. Dzisiaj ma takie same możliwości jak rok temu. Dopiero niedawno, dzięki rozwojowi algorytmów głębokiego uczenia, komputery zaczęły stawiać pierwsze kroki na drodze do opanowania umiejętności uczenia się na własnych błędach. Komputery kwantowe zapewne znacznie przyspieszą ten proces, co będzie miało istotny wpływ na rozwój medycyny i biologii.

Sundar Pichai, prezes firmy Google, porównał powstanie komputerów kwantowych do historycznego lotu braci Wright z 1903 roku. Ten pierwszy lot nie był zbyt spektakularny, ponieważ trwał zaledwie 12 sekund, ale stał się czynnikiem, który zainicjował rozwój współczesnego lotnictwa i tym samym wpłynął na dalsze losy ludzkiej cywilizacji.

Gra toczy się o wysoką stawkę, którą jest nasza przyszłość. Po wygraną będą mogli sięgnąć ci, którzy zbudują komputery kwantowe i wykorzystają je w praktyce. Jeśli jednak chcemy dobrze zrozumieć, jakie znaczenie będzie miała ta rewolucja dla naszego codziennego życia, powinniśmy spojrzeć w przeszłość i poznać inne śmiałe próby realizacji marzenia o zbudowaniu komputerów, które pozwalałyby odtwarzać i wyjaśniać otaczający nas świat.

Wszystko zaczęło się od tajemniczego znaleziska liczącego 2 tysiące lat, które wydobyto z dna Morza Śródziemnego.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

CZĘŚĆ I. POCZĄTKI KOMPUTERÓW KWANTOWYCH

ROZDZIAŁ 1. KONIEC EPOKI KRZEMU

ROZDZIAŁ 2. KONIEC EPOKI CYFROWEJ

ROZDZIAŁ 3. KWANTOWA RZECZYWISTOŚĆ

ROZDZIAŁ 4. POWSTANIE KOMPUTERÓW KWANTOWYCH

ROZDZIAŁ 5. WYŚCIG RUSZYŁ

CZĘŚĆ II. KOMPUTERY KWANTOWE I SPOŁECZEŃSTWO

ROZDZIAŁ 6. POWSTANIE ŻYCIA

ROZDZIAŁ 7. ZIELONA PLANETA

ROZDZIAŁ 8. WYŻYWIĆ ŚWIAT

ROZDZIAŁ 9. ENERGIA DLA ŚWIATA

CZĘŚĆ III. MEDYCYNA KWANTOWA

ROZDZIAŁ 10. KWANTOWE ZDROWIE

ROZDZIAŁ 11. EDYCJA GENÓW I LECZENIE NOWOTWORÓW

ROZDZIAŁ 12. SZTUCZNA INTELIGENCJA I KOMPUTERY KWANTOWE

ROZDZIAŁ 13. NIEŚMIERTELNOŚĆ

CZĘŚĆ IV. MODELOWANIE ŚWIATA I WSZECHŚWIATA

ROZDZIAŁ 14. GLOBALNE OCIEPLENIE

ROZDZIAŁ 15. SŁOŃCE W BUTELCE

ROZDZIAŁ 16. SYMULACJA WSZECHŚWIATA

ROZDZIAŁ 17. ZWYCZAJNY DZIEŃ W 2050 ROKU

EPILOG. KWANTOWE ZAGADKI

PODZIĘKOWANIA

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

1 Gordon Lichfield, Inside the Race to Build the Best Quantum Computer on Earth (Rywalizacja o zbudowanie najlepszego komputera kwantowego na Ziemi), „MIT Technology Review”, 26 lutego 2020, s. 1–23.

2 Yuval Boger, wywiad z doktorem Robertem Sutorem, „The Qubit Guy’s Podcast”, 27 października 2021, www.classiq.io/insights/podcast-with-dr-robert-sutor (dostęp: 17 lipca 2023).

3 Matt Swayne, Zapata Chief Says Quantum Machine Learning Is a When, Not an If (Prezes firmy Zapata twierdzi, że niewiadomą związaną z maszynowym uczeniem się komputerów kwantowych jest „kiedy”, a nie „czy”), „The Quantum Insider”, 16 lipca 2020, www.thequantuminsider.com/2020/07/16/zapata-chief-says-quantum-machine-learning-is-a-when-not-an-if (dostęp: 17 lipca 2023).

4 Daphne Leprince-Ringuet, Quantum Computers Are Coming, Get Ready for Them to Change Everything (Komputery kwantowe nadchodzą, przygotujmy się na to, że wszystko zmienią), „ZD Net”, 2 listopada 2020, www.zdnet.com/article/quantum-computers-are-coming-get-ready-for-them-to-change-everything (dostęp: 17 lipca 2023).

5 Dashveenjit Kaur, BMW Embraces Quantum Computing to Enhance Supply Chain (BMW sięga po obliczenia kwantowe, by usprawnić łańcuch dostaw), „Techwire/Asia”, 1 lutego 2021, https://techwireasia.com/2021/02/bmw-embraces-quantum-computing-to-enhance-supply-chain (dostęp: 17 lipca 2023).

6 Cade Metz, Making New Drugs with a Dose of Artificial Intelligence (Produkcja nowych leków z dawką sztucznej inteligencji), „The New York Times”, 5 lutego 2019; www.nytimes.com/2019/02/05/technology/artificial-intelligence-drug-research-deepmind.html (dostęp: 17 lipca 2023).

7 Ali El Kaafarani, Four Ways That Quantum Computers Can Change the World (Cztery sposoby, w jakie komputery kwantowe mogą zmienić świat), „Forbes”, 30 lipca 2021, www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-could-change-the-world/?sh=7054e3664602 (dostęp: 17 lipca 2023).

8 Matthew Hutson, The Future of Computing (Przyszłość informatyki), „ScienceNews”, www.sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-ethics (dostęp: 17 lipca 2023).

9 James Dargan, Neven’s Law: Paradigm Shift in Quantum Computers (Prawo Nevena: zmiana paradygmatu wywołana przez komputery kwantowe), „Hackernoon”, 1 lipca 2019, www.hackernoon.com/nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers-e6c429ccd1fc (dostęp: 17 lipca 2023).

10 Nicole Hemsoth Prickett, With $3.1 Billion Valuation, What’s Ahead for PsiQuantum? (Jakie są perspektywy firmy PsiQuantum przy wycenie jej wartości na 3,1 miliarda dolarów?), „The Next Platform”, 27 lipca 2021, www.nextplatform.com/2021/07/27/with-3‒1b-valuation-whats-ahead-for-psiquantum (dostęp: 17 lipca 2023).