Przedszkole informatyka cz. 3 – „Wyciszona rewolucja”

Dziś krótka dawka wiedzy ze świata informatyki i ostatni z serii konkursów „Przedszkola informatycznego”. Tym razem informacje bardziej dla grupy „starszaków”. Coś o najszybszych komputerach.

We wrześniu zeszłego (2019) roku Google LLC ogłosił osiągnięcie ‚supremacji kwantowej’. Mała, krótka wzmianka w „internetach”, która zwykłemu zjadaczowi chleba niewiele mówi.  To jednak zwiastun przełomu w dziedzinie przetwarzania informacji, który można chyba tylko porównać do okiełznania elektryczności.

Sama informacja nie była fake-iem. 20 września 2019 roku „Financial Times” poinformował, że przedstawiciele Google’a potwierdzili, że ich koncern osiągnął supremację kwantową. Potwierdzała to kopia dokumentu koncernu Google wysłanego do NASA, a podpisanego przez fizyka Johna Martinisa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Z treści tego pisma, do którego dotarli dziennikarze portalu internetowego „Fortune”, wynikało, że Google posiada 54-kubitowy procesor o nazwie Sycomore, w którym 53 kubity są funkcjonalne.

Supremacja kwantowa to mówiąc w skrócie potencjalna zdolność kwantowych urządzeń komputerowych do rozwiązywania problemów, których rozwiązanie przez najszybsze maszyny „klasyczne” było by praktycznie nie możliwe.  Google-owska maszyna wygenerowała przypadkowy rozkład liczb w systemie dwójkowym, a następnie zdołała go błyskawicznie sprawdzić i potwierdzić wynik. Cały ten proces zajął zaledwie 200 sekund. Dla porównania, podobna operacja obliczeniowa wykonana przez największy i najszybszy „klasyczny” superkomputer Summit należący do IBM zajęłaby 10 tysięcy lat.

O co chodzi z tymi komputerami kwantowymi?
Obecne komputery, które dla odróżnienia od maszyn kwantowych zaczynają być nazywane „klasycznymi”, wykonują wszelkie obliczenia za pomocą bitów (zero albo jedynka). W komputerze kwantowym podstawową jednostką informacji jest kubit, którego nazwa jest skrótem od zwrotu „quantum bit”. Kubit to opis stanu określonego układu kwantowego, o którym pełną informację uzyskujemy poprzez pomiar, który sam w sobie jest zaburzeniem tego stanu 🙂

Tu już dotykamy fizyki atomów i mniejszych cząstek elementarnych. Prof. Richard Feynman, jeden z twórców relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej w latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia zaprezentował teoretyczny model działania urządzenia, które nazwał komputerem kwantowym. Wówczas uznano tę koncepcję za fantastykę naukową. Feynman próbował przekonać, że do przekształcenia systemu kwantowego w klasyczny model komputerowy można wykorzystać wiele zjawisk rządzących życiem atomów i mniejszych cząstek elementarnych, m. in. takich jak: zasada nieoznaczoności i superpozycji.
Pierwsza, sformułowana przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga, oznacza, że nie ma żadnej możliwości precyzyjnego określenia położenia i pędu cząstki, a więc jej komplementarnej własności. Taka cząstka ma też inną zdumiewającą własność, która wydaje się nielogiczna. Może pozostawać w superpozycji, czyli być w różnych stanach naraz. Jest zatem falą i cząstką stałą w tym samym momencie, aż do czasu, gdy ktoś dokona jej obserwacji i tym samym natychmiast zredukuje jej własność do tylko jednego stanu. Podobnie jak w znanym, ale dość drastycznym, eksperymencie myślowym austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, gdzie kot zamknięty w pudełku ze śmiercionośnym gazem jest zawsze żywy lub martwy, aż do czasu otwarcia pudełka i dokonania pomiaru – kubit jest jednocześnie zerem i jedynką. Fizyka kwantowa nazywa taką sytuację superpozycją stanów. Jest ona bardzo nietrwała. Nawet najmniejszy kontakt z otoczeniem powoduje, że w ułamku sekundy układ wypada ze stanu superpozycji do stanu stacjonarnego. Takie zjawisko fizycy nazywają dekoherencją. Stanowi ona największą przeszkodę w pracy maszyn kwantowych. Informacja podana przez Google pozwala twierdzić, iż wielkie koncerny informatyczne znalazły skuteczną metodę pozwalającą zapanować nad tym zjawiskiem.

Aby zrozumieć różnice między bitami i kubitami, można się posłużyć następującym przykładem: 4 klasyczne bity dają w sumie 16 możliwych kombinacji, kiedy 4 kubity będące w stanie superpozycji mogą być we wszystkich 16 stanach naraz, a z każdym kolejnym dodanym kubitem liczba kombinacji wzrasta wykładniczo. Oznacza to, że 20-kubitowy komputer może jednocześnie przechowywać i analizować 1 000 000 wartości! Maszyna kwantowa przetwarza olbrzymie zbiory danych w bardzo krótkim czasie.

Oczywiście komputery kwantowe nie zastąpią klasycznych maszyn i większości ich funkcji. Na dzień dzisiejszy wydaje się być to fantastyką by jakaś tam kwantowa maszyna zastąpiła wszystkie komputery na świecie, czy stała się „sztuczną inteligencją” pobierającą dane z kwantowego Internetu przyszłości – super bezpiecznej komunikacji pomiędzy maszynami, do których nikt nie będzie mógł się włamać. Weźmy pod uwagę iż, w 40 lat temu r. teorie o komputerze kwantowym też uważano za fantastykę… .

Komputery kwantowe ze swoją mocą obliczeniową otwierają nowe płaszczyzny informatyki. Są zdolne w tym samym czasie błyskawicznie przetwarzać olbrzymie ilości danych. Co to w praktyce oznacza na dzień dzisiejszy – namacalne, idealne narzędzia do łamania wszelakich szyfrów/kluczy kryptograficznych. W dobie komputerów kwantowych wszelkie zabezpieczenia oparte o kryptografie tracą sens. Stąd tak ogromne zainteresowanie tą technologia branży IT oraz służb specjalnych. Miejmy tylko nadzieje, że ich moc nie zostanie wykorzystana do lepszego dopasowywania reklam do targetu i kontrolowania rynków zbytu, tylko na prowadzenie badań i symulacji rozwiązujących np. problemy zdrowotne ludzkości (bo co najmniej dziwne, że mając taką moc obliczeniową, którą posiadają nawet komputery „klasyczne” i posiadając możliwości przeprowadzania tak rozbudowanych symulacji, naukowcy od tylu lat nie potrafią znaleźć lekarstw na wiele chorób).

Informatyka kwantowa to z pewnością rewolucja. Z tego co można wyczytać Chiny zainwestują do 2020 roku 10 miliardów dolarów w tę dziedzinę technologi. To kilkakrotnie więcej, niż na tego typu działania wydaje cała Europa. By wykorzystać jej możliwości potrzebne jest wyedukowane środowisko programistyczne, które będzie potrafiło przejść z niskopoziomowego rozumienia technologi do możliwości jej wykorzystania.

Dlatego moi drodzy – warto się uczyć matematyki i fizyki. Pamiętajcie o tym w rozpoczynającym się roku szkolnym 🙂

Zadanie nr 3 (ostatnie – pół żartem pół serio)

Janek ze swoim kolegą zbudował w szkolnej pracowni informatycznej komputer kwantowy. Pani się zdziwiła, ale Janek porządnie zadbał by środowisko w, którym pracuje maszyna charakteryzowało się wysoką próżnią (urządzenie jest pod ciśnieniem 10 mld razy niższym niż ciśnienie atmosferyczne), a dodatkowo zapewnił by kwantowe cząstki były ekranowane przed polem magnetycznym o sile 50 tys. mniejszej niż pole magnetyczne Ziemi.
Na poziomie jakiej temperatury wymaga chłodzenia kwantowa maszyna Janka i dlaczego? 🙂

Na odpowiedzi czekamy do 12 września na adres: gok@gok-wola.pl

Artykuł: B. L. Data: Internet

Zwycięzcy dwóch poprzednich zadań to:
– Hanna Węglarska,
– Łukasz Toma.