Nikt nie wie co dokładnie przyniesie przyszłość. Obecnie jesteśmy zafascynowani rosnącą mocą obliczeniową w smartfonach, które nosimy cały czas przy sobie, a liczne głosy powtarzają, że kolejny ogromny zysk wydajności przyjdzie wraz z komputerami kwantowymi. Na czym jednak one polegają i czy obecnie możemy je gdzieś wykorzystać?

Komputer kwantowy – zasada działania

W klasycznym komputerze bity, czyli podstawowe jednostki informacji, mogą przyjmować tylko dwie wartości: 0 albo 1. Odpowiadają im dwa z elementarnych układów tworzących mikroprocesor i są to różne napięcia na tranzystorach, które z kolei tworzą bramki logiczne. Jakiekolwiek obliczenia opierają się właśnie na manipulowaniu stanami tranzystorów. W komputerze kwantowym musimy porzucić tak prosty stan. Dowolne dane nie są reprezentowane przez dwustanowe wartości napięcia, ale stan kwantowy układu, gdzie bit jest zastąpiony przez kubit. Można się również spotkać z nazwami bit kwantowy lub, wprost z angielskiego, qubit. Kubit stanowi tu superpozycję klasycznego zera i jedynki, co da się w skrócie określić, że przyjmuje po części wartość 0 i po części 1 w jednym momencie.

Jak świat jest widziany przez komputer kwantowy? Kubit stanowi superpopozycję 0 i 1, co rozumiemy jako ukazanie prawdopodobieństwa na to, że jest w stanie 0 i na to, że jest w stanie 1, a ich suma wynosi 1 (100%). Dokładny wynik obliczeń takiego układu nigdy nie może być pewny. Z racji na tą cechę wykonuje się serię obliczeń i dopiero po uśrednieniu otrzymanych wyników można podjąć się próby określenie prawidłowego wyniku działania.

Dlaczego nie jest szeroko stosowany?

Co jednak stoi na przeszkodzie do popularyzacji komputerów kwantowych? Warto przybliżyć termin dekoherencji kwantowej. Jest to proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem i można to zrozumieć jako utratę informacji o układzie wskutek tego oddziaływania. Z tego względu każde urządzenie z układem kwantowym musi być całkowicie odizolowane od otoczenia. Ciekawostką jest to, że temperatura wewnątrz musi być utrzymywana na poziomie prawie zera całkowitego.

Sporym utrudnieniem jest fakt, że pomiar stanu obiektu kwantowego zmienia go i możemy stracić wynik obliczeń. Rozwiązaniem pozostaje wykorzystanie splątania kwantowego. W tym przypadku dwa kubity są ze sobą łączone w taki sposób, aby drugi stanowił kopię pierwszego.

Również sam proces tworzenia oprogramowania jest skomplikowany. Aby móc realnie wykorzystać komputer kwantowy, musimy stworzyć odpowiednią aplikację i tu ponownie dostrzeżemy różnicę względem klasycznych sprzętów. Mianowicie takie oprogramowanie musi korzystać z mechaniki kwantowej, np. kwantowego splątania czy superpozycji.

Komputer kwantowy – zastosowania obecnie w Smart City

Już aktualnie trwają liczne badania i testy, które mają na celu sprawdzenie, czy komputery kwantowe dadzą realną przewagę w rzeczywistości. Wspomnieć tu można interesujące eksperymenty, dotyczące, m.in. opracowywania nowych materiałów, badania struktur białkowych czy prób optymalizacji ruchu, a także rozwijania sztucznej inteligencji.

Jeżeli chodzi o zastosowania w Smart City, to obecnie najwięcej mówi się właśnie o zadaniach polegających na optymalizacji. Od razu na myśl przychodzi optymalizacja ruchu lub zużycia konkretnych zasobów, typu prądu czy wody, dzięki czemu całość byłaby lepiej zorganizowana. Aktualnie problemem jest jednak ograniczona wydajność takich komputerów oraz trudności z ich odpowiednim zaprogramowaniem. Coś, co działa w mniejszej skali, niekoniecznie sprawdza się już teraz w dużo większej. Można spodziewać się, że to kwestia kolejnych dziesięcioleci.

W tym miejscu wspomnieć trzeba również o Internecie Rzeczy. Te urządzenia również skorzystają z dobrodziejstw komputera kwantowego, głównie dzięki temu, że pozwoli on na dużo trudniejsze do złamania szyfrowanie danych. Temat bezpieczeństwa jest jednym z najważniejszych i najczęściej dyskutowanych, a kwantowe sprzęty wydają się idealnie rozwiązywać ten problem.

Przyszłość komputerów kwantowych

Komputery kwantowe powoli stają się czymś, co firmy mogą realnie u siebie wykorzystać i poznać prawdziwe możliwości drzemiące w Big Data. Liczba potencjalnych zastosowań jest ogromna. Wymaga to jednak dopracowania samej technologii i uczynienia jej bardziej przystępną.

Czy jednak układy kwantowe trafią również do domów? Patrząc na trendy, można stwierdzić, że nie, ponieważ statystyczni użytkownicy nie potrzebują aż tak ogromnej mocy, jaką będą w stanie zapewnić komputery kwantowe, a zważywszy na ograniczenia sprytu, trudno sobie na razie wyobrazić stosowanie ich w laptopach czy smartfonach. Zresztą paradoksalnie w wielu zadaniach to klasyczne procesy będą bardziej użyteczne.