Co zmienią komputery kwantowe?

Albert Einstein nazwał ją upiornym oddziaływaniem na odległość, a Erwin Schrödinger próbował wyjaśnić na przykładzie niezupełnie martwego kota. Czym jest tak naprawdę mechanika kwantowa i jakie stwarza możliwości dla rozwoju nowych kierunków w technologii? 

Już starożytni alchemicy posługiwali się tajemniczą formułą, głoszącą, że „nic nie jest takie, jak się wydaje”, ale sensu dla naukowców z prawdziwego zdarzenia nabrała ona dopiero w latach 30. ubiegłego wieku. I to nie dlatego, że ciągle toczono jeszcze wówczas dyskusje nad opublikowaną kilkanaście lat wcześniej przez Alberta Einsteina ogólną teorią względności, która na głowie stawiała dotychczasowe wyobrażenia o czasie i przestrzeni. Prawdziwa bomba wybuchła, gdy okazało się, że istnieje tajemniczy mechanizm, który sprawia, że cząstki materii w jakiś sposób „komunikują się” ze sobą na dowolną odległość – i to z szybkością przekraczającą prędkość światła. Naukowa herezja? Już nie. Witamy w dziwacznym świecie kwantów!

Zaplątane w czasie i przestrzeni

Nowe możliwości komputerów kwantowych fot. Pixabay

Już choćby fakt, że światło może być postrzegane jako strumień cząstek lub fala elektromagnetyczna powinien dać fizykom sygnał, iż wszechświat może mieć inny porządek, niż nam się wydaje. Kwantowa rewolucja zaczęła się jednak od doświadczenia, w którym poddano obserwacji dwa fotony pochodzące z tego samego źródła (kryształu). Dopóki były badane oddzielnie, mogły mieć dowolną polaryzację: równoległą (nazwijmy to typem A) lup prostopadłą (typ B). Kiedy jednak badacze brali „pod lupę” obie cząstki jednocześnie, okazywało się, że nigdy nie tworzyły one pary AA lub BB, lecz – tak jakby wiedziały o aktualnym stanie swojej polaryzacji – zawsze układ AB lub BA. – To upiorne – powiedział Einstein. I miał rację, gdyż wychodziło na to, że owe splątane (tak fachowo nazwano ów efekt) cząstki są obdarzone czymś w rodzaju świadomości lub że przesyłają sobie informacje z prędkością nadświetlną. Takie tłumaczenie kompletnie nie zgadzało się z jego ogólną teorią względności. Jak więc wytłumaczyć „inteligencję fotonów”?

Jak kot z pudełka

Kiedy będą dostępne komputery kwantowe? fot. Pixabay

Austriacki noblista Erwin Schrödinger zaproponował wyjaśnienie tego fenomenu w następujący sposób: wyobraźmy sobie, że w pudełku mamy zamkniętego kota. Znajduje się w nim także pojemnik z trującym gazem uruchamiany przez detektor reagujący na obecność promieniowania jonizującego. Umieszczamy teraz w pudełku jeden jedyny atom jakiegoś nietrwałego pierwiastka z szybkim czasem połowicznego rozpadu. Co się stanie? Skoro to rozpad połowiczny, to mamy dokładnie 50% szans, że wyzwolone zostanie promieniowanie jonizujące, otworzy się pojemnik z gazem i kot zginie. Takie samo jest prawdopodobieństwo, że zwierzę wyjdzie z tego eksperymentu cało. Żeby się jednak tego dowiedzieć, trzeba otworzyć pudełko. Dopóki tego nie zrobimy, kot jest jednocześnie żywy i martwy. Jest obiektem kwantowym (tak jak fotony w opisywanym doświadczeniu) i znajduje się równocześnie w każdym z możliwych (dwóch) stanów. Ot, i cała filozofia – chciałoby się powiedzieć. Nawet jeśli przeczy zdrowemu rozsądkowi…

Chłodna kalkulacja

Laptop kwantowy? fot. Pixabay

Owszem, przeczy, ale tylko w tzw. makroświecie. W skali mikro mechanika kwantowa działa – i to jak! Już w 1999 roku zaobserwowano powiązanie ze sobą pary fotonów odległych od siebie o 144 kilometry. W 2011 roku udało się splątać ze sobą rekordową liczbę 10 miliardów atomów. A rok później uzyskano ten efekt dla dwóch milimetrowej wielkości kryształów (diamentów). Co będzie dalej? Informatycy zacierają ręce, bo okazuje się, że dzięki zjawisku splątania można tworzyć niewiarygodnie wręcz wydajne algorytmy, które umożliwiają funkcjonowanie komputera kwantowego. Już z górą 35 lat trwają próby skonstruowania takiego urządzenia. Czym różni się ono od dzisiejszych „elektronicznych mózgów”, w których wnętrzach kryją się procesory? Potężną zdolnością obliczeniową. Znane nam układy scalone pracują w systemie zero-jedynkowym. Bramki kwantowe natomiast rejestrują nie tylko stany „jest” albo „nie ma”, ale także „może być”. To całe spektrum stanów pośrednich wyrażone w tzw. kubitach sprawia, że obliczenia stają się nieporównywalnie szybsze i dokładniejsze. Dwa lata temu IBM zaprezentował światu komputer IBM Q System One z 20-kubitowym chipem kwantowym. Problem w tym, że nadaje się on tylko do niektórych typów obliczeń, zajmuje ładnych kilka metrów sześciennych i musi być schładzany do temperatury niewiele wyższej od zera absolutnego. Na kwantowe laptopy musimy jeszcze poczekać. Jak długo? Optymiści twierdzą, że najwyżej 20 lat…

Jacek Skawiński