reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 06 kwietnia 2018

Rewolucja kwantowa coraz bliżej

Kiedy komputery kwantowe trafią w końcu na rynek, na naszych oczach może dokonać się technologiczna rewolucja porównywalna z upowszechnieniem się komputerów osobistych, czy powstaniem Internetu. Polskie firmy również chcą wziąć w tym udział.
Poszukiwaniem sposobów na wykorzystanie zjawisk kwantowych w technologiach komputerowych zajmują się obecnie najbardziej zaawansowane ośrodki naukowe na świecie. O ile jeszcze parę lat temu pomysł stworzenia „kwantowego komputera” był domeną głównie teoretycznych rozważań naukowców, o tyle obecnie najwięksi technologiczni gracze na globalnym rynku oraz najsilniejsze państwa inwestują ogromne sumy w pracę nad konkretnymi rozwiązaniami.

Anna Kamińska, ekspert technologicznej firmy Creotech Instruments SA, wyjaśnia że przyczyną tego przyspieszenia jest wielki postęp, jaki został osiągnięty w fizyce w zakresie kontroli i odczytu właściwości stanu kwantowego pojedynczych atomów, czy nawet cząstek elementarnych.

- Stan kwantowy, zwany spinem, jest idealnym kandydatem z „kwantowego świata” do pełnienia roli kubitu, czyli jednostki informacji kwantowej. Kubit w komputerach kwantowych ma stać się następcą bitu – tłumaczy dr Anna Kamińska z Creotech Instruments SA. - Gdy odczytujemy tzw. rzut kwantowego spinu, to może on przyjąć wartości ‘w górę’ lub ‘w dół’, co odpowiada wartościom 0 lub 1 znanym nam z systemu binarnego. Tu jednak analogia z klasycznym komputerem się kończy. W trakcie działania komputera kwantowego wykorzystywane mogą być bowiem stany mieszane, „trochę 0 i trochę 1”, co zmienia zupełnie naturę i dostępną moc obliczeniową maszyny – mówi Kamińska.


© Pixabay

Kwantowy wyścig zbrojeń


Zaawansowane badania nad komputerami kwantowymi prowadzą obecnie duże i renomowane firmy. Zaledwie kilka tygodni temu Google pochwalił się zbudowaniem procesora 72-kubitowego, natomiast IBM testuje już własny prototyp komputera 50-kubitowego. Swoje własne inwestycje i badania prowadzi Microsoft, Intel, Airbus, ale także chiński gigant e-commerce Alibaba. Jako światowy lider w wykorzystaniu pułapek jonowych w technologiach kwantowych wyróżnia się firma IonQ. Mamy wiec do czynienia ze swoistym globalnym wyścigiem, który porównać można do rywalizacji w obszarze kosmicznym między Stanami Zjednoczonymi i Związkiem Radzieckim w drugiej połowie XX wieku.

Tak wielkie zainteresowanie biznesu nie powinno dziwić jeśli weźmiemy pod uwagę przewidywaną skalę nadchodzącej rewolucji związanej z komercyjnym wykorzystaniem zjawisk kwantowych. Wdrożenie na rynek komputerów kwantowych zdecydowanie usprawni rozwiązywanie pewnych klas problemów obliczeniowych. Otworzy to zupełnie nowe możliwości w analizowaniu wielkich zbiorów danych (big data), w metodach uczenia maszynowego (machine learning), rozpoznawania wzorców (pattern recognition) oraz w modelowaniu procesów w fizyce, chemii, biologii i medycynie. Takie możliwości obliczeniowe znajdą również ważne zastosowania w bezpieczeństwie narodowym, finansach i cyberbezpieczeństwie.

- Mówimy więc o rozwiązaniach, których długoterminowego wpływu na codzienne życie każdego z nas nie jesteśmy sobie w stanie nawet wyobrazić – mówi Jacek Kosiec, dyrektor Programu Kosmicznego w Creotech Instruments SA. - Tego rodzaju technologiczne rewolucje nie zdarzają się codziennie i przyjęto nazywać je innowacjami radykalnymi (ang: disruptive innovations) ponieważ w sposób radykalny zmieniają całe gałęzie gospodarki. Przykładem tego typu innowacji jest wprowadzenie na rynek komputerów osobistych, czy telefonów komórkowych i upowszechnienie się Internetu.

Badania nad komputerami kwantowymi są również coraz intensywniej wspierane ze środków publicznych. Z raportu „The Commercial Prospects for Quantum Computing”, wydanego w 2016 roku przez Networked Quantum Information Technologies wynika, że w latach 2010-2016 na inwestycje w rozwój technologii komputerów kwantowych w USA przeznaczono ponad 200 mln dolarów. Podobne kwoty wydane zostały na ten cel przez organizacje publiczne w Kanadzie i w Singapurze. W Europie w tym samym czasie, w inwestycjach w badania nad komputerami kwantowymi prym, wiodła Wielka Brytania, z wydatkami sięgającymi 63 mln dolarów oraz Holandia, która przeznaczyła na ten cel 50 mln dolarów.

Jesienią 2013 rok rząd brytyjski zainicjował narodowy program technologii kwantowych, w ramach którego zobowiązał się do zainwestowania 270 mln funtów w ciągu 5 lat w rozwój badań w tej dziedzinie. Od 2016 roku Unia Europejska także posiada własną politykę w tym zakresie i jej elementem jest Quantum Technology Flagship. W ramach tej unijnej inicjatywy, której budżet przekracza miliard euro, powstawać mają konkretne rozwiązania, bazujące na zjawiskach kwantowych, związane z komunikacją i transmisją danych, realizacją skomplikowanych obliczeń i symulacji oraz diagnostyką.



Rodzący się nowy rynek


Choć komercyjne komputery kwantowe jeszcze nie istnieją, firmy zajmujące się badaniami rynku już biorą je pod uwagę w swych analizach. Przykładowo Market Research Media przewiduje, że wartość rynku komputerów kwantowych przekroczy 5 miliardów dolarów do roku 2020.

Badania nad komputerem kwantowym prowadzone są w sposób wielotorowy i stymulują rozwój innych technologii.

- Wynika to z tego, że nie mamy jasnego i jednoznacznego „przepisu” na taki komputer. Wiele różnego rodzaju znanych nam jonów, atomów, cząstek, czy nawet niezwykle małej skali defektów w materiałach, ma właściwości kwantowe odpowiednie do zastosowania w funkcji kubitu – tłumaczy dr Anna Kamińska. - Z tym oczywiście związane są liczne sposoby programowania czy interpretacji działań kwantowego procesora. Ponadto każdy rozważany rodzaj kubitu wymaga do pracy innych warunków laboratoryjnych i innych metod sterowania. Ogromne wyzwanie stanowi więc stworzenie elektroniki służącej do kontroli środowiska kubitu przez układy laserów, pomp próżniowych, kriostatów i wielu innych skomplikowanych urządzeń. Elektronika taka musi spełniać bardzo wyśrubowane i trudne do osiągnięcia technicznie parametry – reagować niezwykle szybko, w czasie rzędu mikrosekundy, na zmieniające się warunki – dodaje Kamińska

Od czujników dla CERN do komputerów kwantowych


Ponieważ wykorzystanie zjawisk kwantowych w komputerach przyszłości wymaga zastosowania wyjątkowo precyzyjnych układów elektronicznych, firmy takie jak Creotech Instruments S.A., które specjalizują się w projektowaniu i produkcji elektroniki wysokiej niezawodności na potrzeby fizyki akceleratorowej, eksperymentalnych reaktorów termojądrowych i projektów kosmicznych chcą w tym perspektywicznym rynku mieć swój udział.

- Potrzeby szeroko rozumianego, rodzącego się ‘przemysłu kwantowego’ są w znacznej mierze zbieżne z potrzebami odbiorców naszej elektroniki wysokiej niezawodności – zauważa Jacek Kosiec. – W kwantowych komputerach przyszłości ogromne znaczenie będą miały precyzyjne układy kontrolno-pomiarowe, które wykorzystywane będą do weryfikowania stanu oraz sterowania całym urządzeniem. Nasza firma posiada ogromne doświadczenie w projektowaniu tego typu układów na potrzeby fizyki wysokich energii czy sektora kosmicznego. Budowa kompetencji w tej perspektywicznej, kwantowej, dziedzinie to jeden z ważnych kierunków rozwoju naszej spółki.

Firma Creotech Instruments SA, dziś kojarzona głównie w prestiżowymi projektami kosmicznymi, początkowo specjalizowała się w produkcji precyzyjnych elektronicznych urządzeń pomiarowych dla instytucji badawczych takich jak Instytut Badań Jądrowych CERN, czy niemiecki GSI. Do dziś ta dziedzina, obok projektów kosmicznych i usług bazujących na wykorzystaniu danych satelitarnych, stanowi istotną część biznesu spółki z Piaseczna.

Podobieństwa i wyzwania


Systemy kontrolno-pomiarowe dla komputerów kwantowych powinny, podobnie jak te dedykowane laboratoriom wysokich energii czy eksperymentalnym takomakom (reaktorom termojądrowym), cechować się wyjątkową precyzją i niezawodnością. Jednak ‘przemysł kwantowy’ tę, i tak wysoko zawieszoną poprzeczkę, podnosi jeszcze wyżej.

- Testowane są różnorodne pomysły na kwantowy komputer. Naukowcy wykorzystują kubity oparte na pułapkach jonowych, kubity nadprzewodzące, kubity topologiczne, czy sieci optyczne – tłumaczy dr Anna Kamińska. - Każde z tych rozwiązań wymaga innych warunków otoczenia do pracy, innych temperatur, innych pól elektromagnetycznych, innych sposobów manipulowania kubitami. W związku z tym stworzenie możliwie uniwersalnego systemu kontrolno-pomiarowego wymaga zastosowania podejścia modułowego. Kolejnym wyzwaniem jest zapewnienie hiperkrótkiego czasu reakcji układu kontrolnego, przynajmniej o rząd wielkości krótszego niż ten wymagany w fizyce akceleratorowej. Znajdujemy się tu już naprawdę na granicach współczesnych możliwości technologicznych i spełnienie takich wymagań będzie efektem długiej i wielopoziomowej pracy inżynierskiej – dodaje Kamińska.

Ogrom zastosowań


Technologie kwantowe to jednak nie tylko komputery. Zjawiska kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w znacznie prostszych układach, które w zamyśle badaczy będą w przyszłości służyć do modelowania i symulacji procesów, z których opisem nie są w stanie sobie poradzić klasyczne superkomputery. Trwają również badania nad prostymi komputerami – przekaźnikami kwantowymi, na bazie których można budować systemy komunikacji idealnie bezpiecznej. Elementy komunikacji kwantowej są już testowane na chińskim satelicie Micius, a chińskie władze chcą w najbliższych latach wprowadzić całą sieć bezpiecznej kwantowej komunikacji na swój użytek.

- Efekty kwantowe w postaci przejść atomowych są już od dawna używane w zegarach atomowych jako najdokładniejszy wzorzec czasu i częstotliwości, jakim dysponuje ludzkość. Jest on niezbędny np. do działania systemu GPS czy nawigacji na orbicie i w przestrzeni kosmicznej, ale też w tak ‘przyziemnych’ zastosowaniach jak sterowanie sieciami energetycznymi czy telekomunikacyjnymi – wskazuje Kamińska

Zdaniem ekspertki zwiększenie dokładności zegarów atomowych, nad którym pracują liczne laboratoria na świecie, otworzy nowe, ciekawe zastosowania, choćby w grawimetrii, czyli pomiarach pola grawitacyjnego Ziemi. Niezwykłą precyzję, jaką oferują technologie kwantowe, planuje się wykorzystywać również w różnego rodzaju czujnikach, w szczególności pola magnetycznego, gdzie osiągniecie niespotykanej dotąd czułości wydaje się realne w ciągu najbliższych kilku lat.

- Dodając do tego możliwości, jakie daje kontrolowana coraz lepiej kwantowa natura światła, której będzie można użyć w nowych metodach obrazowania, przekazu informacji czy w różnego rodzaju detektorach, można z wielkim zainteresowaniem wyczekiwać „kwantowej rewolucji” – z pewnością będzie ciekawie – podsumowuje dr Anna Kamińska z Creotech Instruments SA.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
September 25 2018 19:10 V11.1.0-1