Programowanie komputerów kwantowych jest analogiczne do programowania pierwszych maszyn obliczeniowych z lat 40. ubiegłego stulecia. Jest to dziedzina w początkowej fazie rozwoju i w zestawieniu z tworzeniem oprogramowania dla obecnych, klasycznych komputerów, wydaje się prymitywna – dzieli się spostrzeżeniami prof. Wojciech Bożejko, ekspert w dziedzinie informatyki kwantowej.
Prof. dr hab. inż. Wojciech Bożejko, szef Katedry Automatyki i Obliczeń Kwantowych na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji Politechniki Wrocławskiej, w swoich badaniach skupia się na zagadnieniach związanych z optymalizacją kwantową, kontrolą procesów oraz integrowaniem systemów obliczeniowych z algorytmami sztucznej inteligencji.
PAP: Na Politechnice Wrocławskiej, w kierowanej przez Pana katedrze, funkcjonuje komputer kwantowy ODRA-5. Jak wygląda proces programowania komputera kwantowego?
W.B.: Programowanie komputerów kwantowych można porównać do sposobu, w jaki programowano pierwsze maszyny obliczeniowe w latach 40. ubiegłego wieku, tworzone w ramach projektu Manhattan – na przykład ENIAC czy MANIAC. Były to olbrzymie urządzenia, przypominające swym wyglądem centrale telefoniczne z gąszczem połączeń. Obecnie programowanie komputerów kwantowych jawi się jako równie nieporadne, jak programowanie tamtych maszyn.
PAP: Czy najbardziej zaawansowane światowe systemy są nieporadne? Jestem zaskoczony. Czy aby maszyna mogła podjąć nowe zadanie, konieczne jest ręczne przełączanie kabli?
W.B.: Nie w takim stopniu. Sterowanie komputerem odbywa się jednak za pośrednictwem impulsów mikrofalowych dostarczanych przez falowody. Wymaga to precyzyjnego generowania tych impulsów poprzez ręczne wprowadzanie instrukcji, aby skonfigurować 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 wciąż nie istnieją.
PAP: A jak przedstawia się sytuacja z algorytmami, czyli sekwencjami instrukcji określającymi, co procesor ma wykonać krok po kroku, aby przekształcić jedną informację w inną?
W.B.: Obecnie dysponujemy bardzo ograniczoną liczbą algorytmów kwantowych. Opracowanie nowych algorytmów wymaga czasu i pomysłu. Sztuczna inteligencja nie jest w stanie nam w tym pomóc, ponieważ w dużej mierze opiera się na powielaniu istniejącej wiedzy. Najbardziej znane algorytmy kwantowe, takie jak algorytm Shora czy Grovera, powstały w czasach, gdy same maszyny kwantowe jeszcze nie istniały. Od tamtej pory opracowano zaledwie kilkanaście, może kilkadziesiąt kolejnych algorytmów, wraz z ich modyfikacjami.
PAP: Dla porównania, ile różnych algorytmów stosujemy w tradycyjnych komputerach?
W.B.: W informatyce klasycznej powstały miliony algorytmów, na przykład do sortowania, wyszukiwania czy wyznaczania tras. Każdego roku publikuje się kilkaset tysięcy prac naukowych prezentujących nowe algorytmy.
Sytuacja w przypadku komputerów kwantowych jest jednak bardziej złożona. Komputer kwantowy opiera się na koncepcji kwantowego bitu – kubitu, czyli jednostki informacji zdolnej do znajdowania się w stanie superpozycji – co oznacza, że może być jednocześnie w części stanie zerowym i w części jedynkowym. Struktury wykorzystywane w informatyce kwantowej to czysta matematyka, tak zwane macierze. Są one teoretycznie eleganckie, lecz brakuje nam intuicji w ich stosowaniu.
Jeśli w informatyce klasycznej mamy losowo ułożone książki i chcemy je posortować, dysponujemy tysiącami algorytmów. Natomiast dla maszyn kwantowych istnieje dotychczas jeden pomysł na sortowanie: algorytm Grovera, który służy do wyszukiwania klucza w bazie danych. Działa to na zasadzie: odnajdźmy książkę na literę A, następnie na B, C, D…
PAP: Prawdopodobnie istnieją bardziej wyrafinowane metody…
W.B.: Wszystko, co dzieje się obecnie w dziedzinie informatyki kwantowej, przypomina zabawę dziecka, które nie rozumie jeszcze mechanizmu, a bardzo chce go wykorzystać. Problem polega na tym, że brakuje nam mentora, który pomógłby nam szybciej to zrozumieć. Poznawanie tej nowej dziedziny informatyki zajmie nam prawdopodobnie około 20 lat.
PAP: Czy komputery kwantowe mogą wykorzystywać choć część klasycznych algorytmów?
W.B.: Absolutnie nie. Są to zupełnie inne maszyny. Jedynym możliwym podejściem są metody hybrydowe. Łączymy komputer kwantowy z superkomputerem i zlecamy maszynie kwantowej zadania, w których jest biegła – na przykład odnajdywanie stanu o minimalnej energii układu – w tym szczególnie dobrze radzą sobie tak zwane wyżarzacze kwantowe. Komputer kwantowy pełni rolę koprocesora lub akceleratora: wykonuje swoją pracę i przekazuje wynik do zwykłego komputera. Ten z kolei przetwarza dane w swoim stylu i odsyła je do maszyny kwantowej w celu ponownego przeliczenia.
Taka wymiana danych 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, co prowadzi do stosowania rozwiązań hybrydowych. Podobnie komputery kwantowe są wciąż zbyt mało zaawansowane, aby sprostać masywnym obliczeniom. A nawet gdyby były większe, brakuje dla nich odpowiedniego oprogramowania.
PAP: Ile kubitów posiadają obecnie najnowocześniejsze komputery kwantowe?
W.B.: Maszyny ogólnego przeznaczenia dysponują obecnie maksymalnie około 400 kubitami. Przy większej liczbie kubitów poziom szumów staje się zbyt wysoki. Z kolei wyżarzacze kwantowe mają ponad 5600 kubitów, ale są to kubity nieprzystosowane do wykonywania bramek kwantowych. Mimo to, istnieje realne zapotrzebowanie komercyjne na te maszyny. Państwa i firmy inwestują miliony euro w pojedyncze urządzenia, wierząc, że technologia w końcu „odpali” i chcąc być przygotowanymi na tzw. Q-Day.
PAP: Co kryje się pod pojęciem Q-Day?
W.B.: W wersji optymistycznej, Q-Day to dzień, w którym zostanie jednoznacznie potwierdzona przewaga kwantowa – komputery kwantowe będą wykonywać obliczenia lepiej niż jakakolwiek maszyna klasyczna, a ich działanie stanie się niemożliwe do zasymulowania na klasycznych komputerach.
Jednak bardziej powszechne znaczenie tego terminu odnosi się do momentu, w którym komputery kwantowe przełamią powszechnie stosowane obecnie szyfry używane w bankowości elektronicznej czy komunikatorach. Wspomniany algorytm Shora, służący do rozkładu liczby na czynniki pierwsze (faktoryzacji), jest w stanie błyskawicznie rozwiązać to zadanie na odpowiednio dużym komputerze kwantowym.
Aby złamać powszechnie stosowane klucze o długości 2048 bitów, szacuje się, że potrzebnych będzie około 10 000 kubitów.
Komputery kwantowe, które będą zdolne do łamania zabezpieczeń, być może nie będą od razu służyć do nieautoryzowanego dostępu do kont bankowych. Jednak z pewnością znajdą się chętni do odszyfrowania danych z pierwszych emisji Bitcoinów, które korzystały z krótkich, 256-bitowych kluczy. Również agencje wojskowe niecierpliwie oczekują na Q-day, skrupulatnie gromadząc cenne, zaszyfrowane informacje, aby móc je wówczas odczytać. Będzie to z pewnością fascynujący okres.
PAP: Czego nam jeszcze brakuje, aby ten Q-Day nadszedł? Czy potrzebujemy nowych teorii naukowych? Czy to raczej kwestia inżynieryjna?
W.B.: Problem ma w zasadzie charakter czysto inżynieryjny. Jeśli chodzi o teorię, wiemy, w jaki sposób będą funkcjonować tak potężne komputery. Kluczowe jest ich zbudowanie w odpowiedniej skali. Niedawno zespół z Caltechu opublikował w renomowanym czasopiśmie „Nature” artykuł dotyczący prototypu zawierającego 6100 kubitów. Ta skala jest już niebezpiecznie bliska liczb potrzebnych do łamania szyfrów. Standardy uznawane za bezpieczne przez dekady przestają nimi być.
Dlatego obecnie bardzo dobrze sprzedaje się termin post-quantum cryptography (kryptografia postkwantowa). Jest to chwyt marketingowy, sugerujący, że firmy posiadają już gotowe zabezpieczenia. Tkwi w tym pułapka. Kryptografia postkwantowa zakłada, że wiemy, czego komputer kwantowy nie jest w stanie zrobić. A tego tak naprawdę nie wiemy. Precyzyjnie rzecz ujmując: 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, być może takie algorytmy pojawią się jutro. Naukowcy bowiem siedzą nad tablicami i zastanawiają się, jak znaleźć te nowe algorytmy. Kryptografia postkwantowa w międzyczasie generuje jednak znaczne zyski, sprzedając podejście, które jest, delikatnie mówiąc, naciągane.
PAP: A jak funkcjonuje 5-kubitowy komputer kwantowy, który jest dostępny na Politechnice Wrocławskiej?
W.B.: Posiadamy tam pięć kubitów, co oznacza, że nie jest to zasób wystarczający do obliczeń w ramach rozbudowanych modeli. Traktujemy go jako narzędzie dydaktyczne i badawcze. Od marca przyszłego roku uruchamiamy nowy program studiów „Informatyka kwantowa” na drugim stopniu, dzięki czemu studenci będą mogli pracować na rzeczywistej maszynie. Na papierze wszystko zawsze działa idealnie, ale cechą politechniki jest weryfikowalność teorii w praktyce – kod musi działać na rzeczywistym sprzęcie.
Jeśli chodzi o działanie, komputer kwantowy, co zaskakujące, funkcjonuje znakomicie. Spodziewałem się, że prototyp, którym jest dzisiaj każdy egzemplarz maszyny kwantowej, będzie ulegał awariom, posiada bowiem wiele elementów czysto mechanicznych, takich jak na przykład pompa próżniowa czy układ chłodzenia oparty na helu-3. Tymczasem nasz działa bezawaryjnie od maja ubiegłego roku.
PAP: Zbliżając się do podsumowania – jaką myśl chciałby Pan przekazać czytelnikom na temat komputerów kwantowych?
W.B.: Jest to technologia informatyczna zupełnie nowa, znajdująca się w początkowej fazie rozwoju i wymagająca gigantycznych 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 podkreślić: poczekajcie, przyniesie to zyski, ale teraz musimy w nią zainwestować. Q-Day nie nastąpi za rok. Jest to perspektywa 10 lat, ale potem nastąpi lawinowe przyspieszenie.
Naukowcy nie są od razu nastawieni na przekształcanie teorii w zysk. W historii ludzkości technologie rozwijały się falami, aby ostatecznie osiągnąć gwałtowny postęp. Musimy jako społeczeństwo zrozumieć ideę „3 proc. PKB na naukę”. Bez fizycznych komputerów kwantowych w kraju nie będziemy w stanie dokonać postępu. Na papierze wszystko działa, ale musimy testować to w praktyce na rzeczywistych urządzeniach. Spójrzmy na Finlandię – małe państwo, które zdołało stać się potęgą w dziedzinie telekomunikacji dzięki Nokii, a obecnie posiada IQM, wiodącą firmę kwantową, ponieważ postawiono tam na ten priorytet.
My również jesteśmy w stanie stworzyć tutaj naszą Dolinę Krzemową, ale musimy dać jej szansę rozwoju. Pociąg właśnie odjeżdża. W kwestii samochodów elektrycznych rynek niestety już nam uciekł, ale w programowaniu kwantowym wciąż możemy startować z tego samego poziomu co reszta świata. To ostatni moment, aby dołączyć do tego przedsięwzięcia.
Rozmawiała Ludwika Tomala (PAP)
lt/ agt/ bar/