Programowanie komputerów kwantowych przypomina tworzenie oprogramowania dla pierwszych maszyn obliczeniowych z lat 40. XX wieku. Jest to dziedzina w fazie rozwoju, która w porównaniu z programowaniem współczesnych komputerów klasycznych wydaje się prymitywna – wyjaśnia prof. Wojciech Bożejko, ekspert w dziedzinie informatyki kwantowej.
Prof. dr hab. inż. Wojciech Bożejko, który kieruje Katedrą Automatyki i Obliczeń Kwantowych na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji Politechniki Wrocławskiej, w swojej działalności badawczej skupia się na zagadnieniach związanych z optymalizacją kwantową, sterowaniem procesami oraz integracją systemów obliczeniowych z algorytmami sztucznej inteligencji.
PAP: Na Politechnice Wrocławskiej, w kierowanej przez Pana katedrze, funkcjonuje komputer kwantowy ODRA-5. Jak wygląda proces programowania komputerów kwantowych?
W.B.: Programowanie komputerów kwantowych jest zbliżone do programowania pierwszych maszyn obliczeniowych z lat 40. ubiegłego wieku, które powstawały w ramach projektu Manhattan – jak ENIAC czy MANIAC. Były to ogromne urządzenia, przypominające centralne telefoniczne z mnóstwem kabli. Programowanie komputerów kwantowych dziś prezentuje się podobnie topornie, jak programowanie tamtych maszyn.
PAP: Najbardziej zaawansowane technologie na świecie są toporne? Jest Pan zaskakujący. Czy wymaga to ręcznego przepinania kabli, aby urządzenie mogło podjąć się nowego zadania?
W.B.: Aż tak daleko nie jest. Jednak sterowanie komputerem odbywa się za pomocą impulsów mikrofalowych dostarczanych przez falowody. Te impulsy muszą być precyzyjnie wygenerowane przez ręczne wpisanie instrukcji, aby skonstruować obwód kwantowy. Przypomina to programowanie w kodzie maszynowym lub asemblerze.
W dziedzinie informatyki klasycznej era takiego programowania zakończyła się co najmniej 30 lat temu, ponieważ obecnie posługujemy się językami wysokiego poziomu. Natomiast dla komputerów kwantowych takie języki programowania jeszcze nie istnieją.
PAP: A jak przedstawia się sytuacja z algorytmami, czyli sekwencjami instrukcji, które procesor ma wykonywać krok po kroku, aby przetworzyć jedną informację w inną?
W.B.: Obecnie dysponujemy bardzo ograniczoną liczbą algorytmów kwantowych. Opracowanie nowych algorytmów wymaga czasu i pomysłu. Sztuczna inteligencja nie pomoże nam w tym, ponieważ w dużej mierze odtwarza to, co już jest znane. Najpopularniejsze algorytmy kwantowe – takie jak algorytm Shora czy Grovera – powstały, zanim jeszcze istniały maszyny kwantowe. Do dnia dzisiejszego opracowano zaledwie kilkanaście, może kilkadziesiąt kolejnych algorytmów, wraz z ich wariantami.
PAP: Dla porównania – ile różnych algorytmów wykorzystujemy w tradycyjnych komputerach?
W.B.: W informatyce klasycznej opracowano ogromną liczbę algorytmów, na przykład do sortowania, wyszukiwania czy wyznaczania tras. Rocznie publikuje się kilkaset tysięcy prac naukowych prezentujących nowe algorytmy.
Natomiast w przypadku komputerów kwantowych sytuacja jest bardziej złożona. Komputer kwantowy jest związany z koncepcją kwantowego bitu – kubitu, czyli jednostki informacji, która może znajdować się w stanie superpozycji – co oznacza, że może być jednocześnie częściowo zerem i częściowo jedynką. Struktury wykorzystywane w informatyce kwantowej to czysta matematyka, tak zwane macierze. Są one teoretycznie eleganckie, ale brakuje nam do nich intuicji.
Gdyby w klasycznej informatyce mieliśmy losowo ułożone książki i chcieli je posortować, dysponowalibyśmy tysiącami algorytmów. Dla maszyn kwantowych koncepcja sortowania, jak dotąd, jest jedna: algorytm Grovera, który służy do wyszukiwania klucza w bazie danych. Działa to na zasadzie: znajdźmy książkę na literę A, następnie na B, C, D…
PAP: Prawdopodobnie istnieją bardziej wyrafinowane metody…
W.B.: Wszystko, co dzieje się obecnie w informatyce kwantowej, przypomina zabawę dziecka, które nie rozumie jeszcze mechanizmu, ale bardzo chce go wykorzystać. Problem polega na tym, że nie mamy mentora, który pomógłby nam szybciej to zrozumieć. Poznawanie tego nowego obszaru informatyki odbywa się metodą prób i błędów. Nauka tej dziedziny zajmie nam prawdopodobnie około 20 lat.
PAP: Czy komputery kwantowe mogą korzystać przynajmniej z części klasycznych algorytmów?
W.B.: Nie, wcale nie mogą. Są to zupełnie inne maszyny. Jedynym podejściem, jakie jest możliwe, są metody hybrydowe. Łączymy komputer kwantowy z superkomputerem i zlecamy maszynie kwantowej zadania, w których jest dobra – na przykład znajdowanie stanu o minimalnej energii w układzie – w tym szczególnie dobrze radzą sobie tak zwane kwantowe wyżarzarki. Komputer kwantowy działa tu jak koprocesor lub akcelerator: wykonuje swoje zadanie i przekazuje wynik do normalnego komputera. Ten z kolei przetwarza dane według własnych zasad i odsyła je do kwantowego do ponownego przeliczenia.
Taki „ping-pong” jest rozwiązaniem na obecne czasy. Podobnie jak z samochodami: być może chcielibyśmy przesiąść się na pojazdy elektryczne, ale mają one ograniczony zasięg, a ich ładowanie w trasie jest uciążliwe i czasochłonne, więc ostatecznie wybieramy hybrydy. Podobnie komputery kwantowe są jeszcze zbyt mało wydajne, aby sprostać masywnym obliczeniom. Nawet gdyby były większe, nie ma dla nich odpowiedniego oprogramowania.
PAP: Ile kubitów posiadają obecnie najbardziej zaawansowane komputery kwantowe?
W.B.: Maszyny ogólnego przeznaczenia mają obecnie maksymalnie około 400 kubitów. Przy większej liczbie kubitów poziom szumów staje się zbyt wysoki. Z kolei kwantowe wyżarzarki posiadają ponad 5600 kubitów, ale są to kubity nieprzystosowane do wykonywania bramek kwantowych. Jednakże, istnieje realne zapotrzebowanie komercyjne na tego typu maszyny. Państwa i firmy inwestują wiele milionów euro w pojedyncze urządzenia, wierząc, że technologia w końcu „odpali” i chcą być gotowe na Q-Day.
PAP: Co to jest Q-Day?
W.B.: W optymistycznej wersji, Q-Day to dzień, w którym zostanie jednoznacznie udowodniona supremacja kwantowa – komputery kwantowe będą osiągać lepsze wyniki niż jakiekolwiek maszyny klasyczne, a ich praca nie będzie możliwa do zasymulowania na komputerach klasycznych.
Jednakże, bardziej powszechne znaczenie tego terminu odnosi się do momentu, w którym komputery kwantowe złamią powszechnie stosowane obecnie szyfry w bankowości elektronicznej czy komunikatorach. Wspomniany algorytm Shora, służący do faktoryzacji liczby na czynniki pierwsze, jest w stanie błyskawicznie rozwiązać to zadanie na odpowiednio dużym komputerze kwantowym.
Do złamania powszechnie stosowanych kluczy o długości 2048 bitów, szacuje się, że potrzeba około 10 000 kubitów.
Komputery kwantowe, które będą zdolne do łamania zabezpieczeń, być może niekoniecznie będą od razu wykorzystywane do nieautoryzowanego dostępu do kont bankowych. Ale z pewnością znajdą się chętni do odszyfrowania Bitcoinów z pierwszych edycji protokołów, które posiadały krótkie, 256-bitowe klucze. Również agencje wojskowe z niecierpliwością czekają na Q-day, skrupulatnie gromadząc cenne zaszyfrowane informacje, aby móc je wtedy odczytać. Będzie to fascynujący moment.
PAP: Czego nam jeszcze brakuje, aby ten Q-Day nadszedł? Czy potrzebujemy nowych teorii naukowych? Czy to raczej kwestia inżynieryjna?
W.B.: Problem ma charakter w zasadzie czysto inżynieryjny. Jeśli chodzi o teorię, wiemy, jak będą działać takie potężne komputery. Kwestią jest ich zbudowanie na odpowiednią skalę. Niedawno zespół z Caltechu opublikował w prestiżowym czasopiśmie „Nature” artykuł dotyczący prototypu składającego się z 6100 kubitów. Ta skala jest już niebezpiecznie bliska wartości niezbędnych do łamania szyfrów. Standardy uznawane za bezpieczne przez dziesięciolecia przestają nimi być.
Dlatego też termin „post-quantum cryptography” (kryptografia postkwantowa) cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem. Jest to hasło marketingowe, sugerujące, że firmy posiadają już gotowe zabezpieczenia. Tu tkwi pułapka. Kryptografia postkwantowa zakłada, że wiemy, czego komputer kwantowy nie potrafi zrobić. A tego tak naprawdę nie wiemy. Precyzyjnie mówiąc: posiadamy metody, dla których obecnie nie istnieją znane algorytmy kwantowe zdolne je złamać. Dla przedstawiciela handlowego jest to wystarczające do sprzedaży produktu. Ale kto wie, może takie algorytmy pojawią się jutro. Ponieważ my, naukowcy, siedzimy nad tablicami i pracujemy nad znalezieniem tych nowych algorytmów. Kryptografia postkwantowa tymczasem generuje spore zyski, sprzedając podejście, które jest, delikatnie rzecz ujmując, naciągane.
PAP: Jak radzi sobie 5-kubitowy komputer kwantowy, który jest dostępny na Politechnice Wrocławskiej?
W.B.: Posiadamy tam pięć kubitów, więc nie jest to zasób umożliwiający przeprowadzanie potężnych symulacji. Traktujemy go jako narzędzie dydaktyczne i badawcze. Od marca przyszłego roku uruchamiamy nowy kierunek studiów „Informatyka kwantowa” na studiach drugiego stopnia, dzięki czemu studenci będą mogli pracować na rzeczywistej maszynie. Na papierze wszystko zawsze działa idealnie, ale cechą politechniki jest to, że teoria jest weryfikowalna w praktyce – kod musi zadziałać na realnym sprzęcie.
Co do działania – komputer kwantowy, co zaskakujące, spisuje się znakomicie. Spodziewałem się, że prototyp, którym obecnie jest każdy egzemplarz maszyny kwantowej, będzie ulegał awariom, ponieważ posiada wiele elementów stricte mechanicznych, takich jak pompa próżniowa czy układ chłodzenia oparty na helu-3. Tymczasem nasz działa bezproblemowo od maja ubiegłego roku.
PAP: Zbliżając się do podsumowania – jaką myśl chciałby Pan przekazać czytelnikom, którzy dowiedzą się o komputerach kwantowych?
W.B.: Jest to technologia informatyczna zupełnie nowa, będąca w początkowej fazie rozwoju i wymagająca ogromnych nakładów pracy oraz cierpliwości. Żyjemy w świecie silnie skomercjalizowanym, gdzie wszystko jest przeliczane na pieniądze i oczekuje się natychmiastowego zwrotu z inwestycji. W przypadku technologii kwantowych musimy stwierdzić: proszę poczekać, przyniesie to zyski, ale teraz musimy w to zainwestować. Q-Day nie nastąpi za rok. Jest to perspektywa 10 lat, ale później przyspieszenie będzie lawinowe.
Naukowcy nie są od natychmiastowego przekształcania teorii w zyski finansowe. W historii ludzkości technologie rozwijały się falami, by ostatecznie gwałtownie przyspieszyć. Musimy jako społeczeństwo zrozumieć hasło „3 proc. PKB na naukę”. Bez fizycznych komputerów kwantowych w kraju nie osiągniemy postępu. Na papierze wszystko działa, ale musimy to testować w praktyce na rzeczywistych urządzeniach. Spójrzmy na Finlandię – mały kraj, który zdołał stać się potęgą w dziedzinie telekomunikacji dzięki Nokii, a teraz posiada IQM, czołową firmę kwantową, ponieważ postawiono tam na ten priorytet.
My również jesteśmy w stanie stworzyć tutaj naszą Dolinę Krzemową, ale musimy dać jej szansę na rozwój. Pociąg właśnie odjeżdża. W kwestii samochodów elektrycznych rynek nam niestety już uciekł, ale w programowaniu kwantowym wciąż możemy rozpocząć z tego samego poziomu, co reszta świata. To ostatni moment, aby dołączyć.
Rozmawiała Ludwika Tomala (PAP)
lt/ agt/ bar/