Komputery z biegiem lat stają się coraz bardziej wydajne i pozwalają na wykonywanie coraz bardziej skomplikowanych obliczeń. Jednak ich rozwój, bazujący na opartych na krzemie procesorach stopniowo zbliża się do granicy, na której przeszkodą stają się prawa fizyki. Jedną z metod pozwalających na ominięcie ograniczeń tradycyjnej architektury układów elektronicznych jest zastosowanie mechaniki kwantowej do konstrukcji jednostek o znacznie wyższych wydajnościach niż te oferowane przez tradycyjną architekturę opartą na krzemie.

Czym są komputery kwantowe?

Komputery kwantowe opierają swoje działanie na zasadach mechaniki kwantowej, czyli teorii praw opisujących świat molekuł o bardzo małych rozmiarach takich jak atomy lub inne cząstki elementarne. W komputerach kwantowych dane opisywane są przez stan kwantowy układu, z którego zbudowany jest komputer. Podstawowymi jednostkami jego budowy są kwantowe bity, tzw. kubity (ang. quantum bit, qubit). Kubit, w odróżnieniu od będącego elementem składowym architektury tradycyjnych komputerów bitu, nie ma wartości ustanowionych na poziomie 0 lub 1, lecz w trakcie obliczeń będzie znajdował się w stanie pośrednim, dzięki czemu niesie w sobie więcej informacji niż tradycyjny bit, a także będzie w stanie wykonywać równolegle znacznie więcej operacji. Dlatego to nie pojedynczy wynik obliczenia będzie pewny, lecz średnia wartość z serii obliczeń pozwoli na określenie prawidłowego wyniku, tym dokładniejszego, im więcej obliczeń dla określonego zadania zostało wykonanych. Komputery kwantowe pozwolą na relatywnie szybkie (w ciągu kilku sekund) rozwiązywanie zadań, które tradycyjnym komputerom zajęłyby nie lata, lecz wieki lub tysiąclecia.

Historia komputerów kwantowych

Komputery kwantowe nie są wynalazkiem ostatnich lat. Koncepcja komputera kwantowego, bazująca na wcześniejszych teoriach i badaniach, powstała na początku lat osiemdziesiątych, zaś w kilka lat później powstała kompletna już teoria działania takiego komputera. W połowie lat 90. opracowano algorytm, dzięki któremu komputer kwantowy mógłby szybko wykonywać rozkład dużych liczb na iloczyny liczb pierwszych (algorytm Shora). W tych latach zademonstrowano także pierwsze obliczenia kwantowe. Jednocześnie konstruowano różnego rodzaju kwantowe bramki, które przetwarzałyby kubity. W roku 2001 informatycy z firmy IBM i z Uniwersytetu Stanforda zademonstrowali działanie algorytmu Shora do rozkładu liczby 15, na mającym 7 kubitów komputerze kwantowym bazującym na MRJ. W 2011 roku stworzono układ opierający się na 10 miliardach kubitów.

Komercyjne użycie komputerów kwantowych

Komputery, określane jako kwantowe, oferowane są przez kanadyjską firmę D-Wave, która zaprezentowała już 2007 roku komputer z rejestrem kwantowym. W roku 2009 firma ta stworzyła dla Google komputer wykorzystywany do wyszukiwania grafik, zaś 2 lata później firma Lockheed-Martin kupiła od D-Wave komputer wraz ze wsparciem technicznym, który wykorzystywany jest do realizacji jednego, specjalistycznego algorytmu tzw. dyskretnej optymalizacji.

Do czego będzie można wykorzystać komputery kwantowe?

Komputery kwantowe, dzięki użyciu odpowiednich algorytmów wykorzystujących moc tego sprzętu, będą osiągały wydajność o całe rzędy wielkości większą niż komputery tradycyjne. Sam algorytm Shora może zostać wykorzystany w kryptografii do łamania skomplikowanych szyfrów niemalże w czasie rzeczywistym. Ponadto komputery kwantowe znajdą zastosowanie wszędzie tam, gdzie konieczne są wszelkiego typu symulacyjne obliczenia, np. w biochemii, nanotechnologii i w samej fizyce kwantowej. Potężna moc obliczeniowa komputerów kwantowych pozwoli na rozwój technologii, które dotychczas znane były ze stron powieści Sci-Fi, np. teleportacji