Komputer kwantowy - jak działa i jak zrewolucjonizuje nasze życie?

Czym jest komputer kwantowy? Jak działa? Ile ich jest na świecie? Na jakim etapie są prace nad nim? Kiedy możemy spodziewać się wprowadzenia go na rynek? Analizujemy stan wiedzy i zastanawiamy się wraz z ekspertami miedzy innymi Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczośc i OVHcloud, kiedy nadejdzie kolejna rewolucja, która odmieni cywilizację.

Historia komputera kwantowego

• W 2019 r. wartość globalnego rynku komputerów kwantowych była szacowana na 507,1 mln dolarów.
• Przewidywano, że do 2030 r. wzrośnie do poziomu 65 mld dolarów.
• W 2022 r. wartość rynku wyniosła 10,13 mld dolarów i prognozowano, że do 2030 r. przekroczy 125 mld dolarów.

Obecnie inwestorzy kupują akcje firm zajmujących się technologią kwantową, licząc, że ich wartość wzrośnie. Na ogromne zainteresowanie tematem wpływają wielkie korporacje, jak Google, IBM czy Microsoft, które lokują swój kapitał w rozwój badań nad technologiami kwantowymi.

Tradycyjne komputery, tak samo jak ludzie, wykonują obliczenia liniowo, jedno po drugim. Dzięki kubitom  komputer kwantowy może wykonywać wiele obliczeń jednocześnie. Pozwala to na przeprowadzenie w krótkim czasie niezwykle skomplikowanych operacji, które konwencjonalny komputer, nawet o ogromnej mocy obliczeniowej, wykonywałby latami. Warto zaznaczyć, że komputery kwantowe nie przesyłają informacji w tradycyjny sposób, tylko je teleportują.

W 1996 r. w USA zbudowano pierwszy prototyp podstawowych elementów komputera kwantowego. 13 lutego 2007 r. firma D-Wave Systems zaprezentowała 128-kubitowy układ, nazywany pierwszym na świecie komputerem z rejestrem kwantowym. Wyniki pierwszego eksperymentu pokazującego przewagę komputera składającego się z kilkudziesięciu kubitów nad superkomputerami klasycznymi zostały ogłoszone przez naukowców pracujących dla firmy Google w październiku 2019 r. Naukowcy, wspierani przez rządy i przedsiębiorstwa, od lat pracują nad rozwojem technologii kwantowych, dzięki którym możliwe będzie osiągnięcie przewagi konkurencyjnej na rynku.

Co potrafi komputer kwantowy?

Wielu badaczy podziela opinię, że już wkrótce nastąpi druga rewolucja kwantowa, której najważniejszym odkryciem będzie komputer kwantowy o mocy obliczeniowej wielokrotnie przewyższającej możliwości tradycyjnych komputerów. Kolejnym etapem ma być kwantowy internet. Mechanika kwantowa wykracza poza granice ludzkiej percepcji, jednak to właśnie ona ma odmienić dotychczas znane oblicze technologii i skierować postęp na zupełnie nowe tory.

Komputery kwantowe będą rozwiązywać wiele problemów w różnych gałęziach gospodarki. Dotyczy to chociażby medycyny i farmacji. Chemia kwantowa wiele osiągnie dzięki rozwojowi komputerów i symulatorów kwantowych, a to może doprowadzić do dużego postępu w chemii, biochemii i dalej w medycynie. Symulacja struktur chemicznych leków pomogłaby przewidzieć potencjalnie niepożądane skutki ich stosowania z milionami innych medykamentów w przypadku każdej możliwej choroby, wieku i trybu życia pacjenta.

Branże finansowa i logistyczna zyskałyby na powstaniu jakościowo silniejszych komputerów rozwiązujących trudne problemy optymalizacyjne, a typy komputerów kwantowych takich jak ten oferowany przez D-Wave są aktywnie badane pod kątem zaawansowanych zastosowań. Przykładowo w sektorze finansowym być może pojawiłaby się szansa przewidywania wszystkich scenariuszy na giełdzie, co z kolei pozwoliłoby na inwestowanie ogromnych środków pieniężnych przy minimalizacji ryzyka niepowodzenia przedsięwzięcia. Ponadto taki wzrost efektywności obliczeń przełożyłby się na znaczne przyspieszenie oceny zdolności kredytowej i jej skrupulatną analizę. Technologia ta pomogłaby również w szybkim wykrywaniu oszustw.

Innym sektorem gospodarki, w którym tego typu maszyny mogłyby być użyteczne, jest logistyka naziemna. Przyspieszenie analizy wszystkich możliwych tras przejazdu samochodów dostawczych wiązałoby się z ograniczeniem kosztów prowadzenia działalności. Większa moc obliczeniowa pomogłaby branży lotniczej sprawnie rozwiązywać problemy rodzące się np. w związku z nagłą zmianą pogody czy chorobą personelu oraz ustalić alternatywną trasę lotu. Za sprawą technologii kwantowej rozwinęłoby się także uczenie maszynowe sztucznej inteligencji.

Jakiej marki będzie komputer kwantowy sprzedawany na rynku?

Ile jest na świecie komputerów kwantowych? Tego dokładnie nie wiadomo, ale z dużym prawdopodobieństwem można mówić o kilkudziesięciu maszynach, należących do koncernów z USA, Kanady i Chin. Nad swoimi jednostkami zapewne pracują rządy wielu państw, by w przyszłości wykorzystać je również do łamania szyfrów.
Walka o dominującą pozycję na polu technologii kwantowych już trwa. Wiadomo, że przodują wspomniane kraje, które już pod koniec lat 90. zainwestowały ogromne pieniądze w rozwój badań kwantowych. Jakie miejsce w tym wyścigu zajmuje Europa i Polska?

Mimo wielu osiągnięć w tej dziedzinie dotychczas na Starym Kontynencie nie powstał komputer kwantowy. – Choć w polskich laboratoriach nie są obecnie badane układy wielo-kubitowe zasługujące na miano prototypów komputera kwantowego, wiele grup naukowych w kraju pracuje nad wytwarzaniem i charakteryzowaniem nowych materiałów półprzewodnikowych i ich nanostruktur, które mogą zostać wykorzystane do budowy komputerów kwantowych kolejnej generacji – mówi prof. Łukasz Cywiński z Instytutu Fizyki PAN i dodaje: – Przykładowo w centrum MagTop działającym w Instytucie Fizyki PAN trwają prace nad tzw. izolatorami topologicznymi, czyli półprzewodnikami mającymi zastosowanie w topologicznych komputerach kwantowych intensywnie badanych przez Microsoft. Od strony teoretycznej polscy naukowcy od samego początku badań nad informatyką kwantową uzyskują uznane na świecie wyniki, mające obecnie wpływ na rozwój wszystkich kwantowych technologii, w tym komputerów kwantowych.

Na horyzoncie są jednak zmiany, bowiem w październiku ubiegłego roku ogłoszono sześć lokalizacji do hostowania i obsługiwania pierwszych tego typu maszyn. To Czechy, Niemcy, Hiszpania, Francja, Włochy i Polska. Zgodnie z harmonogramem komputery tam instalowane mają zacząć działać w drugiej połowie 2023 r. W najnowszym raporcie pn. „Monitoring trendów w innowacyjności” , przygotowanym przez Polską Agencję Rozwoju Przedsiębiorczości oraz Ministerstwo Rozwoju i Technologii, opublikowano listę polskich firm zaangażowanych w tworzenie technologii kwantowych.

Kto pracuje nad komputerem kwantowym?

W maju 2022 r. powołano do życia Klaster Q – Klaster Technologii Kwantowych – organizację, której celem jest połączenie i wykorzystanie wiedzy, kompetencji i zasobów, jakimi dysponują prywatne przedsiębiorstwa, jednostki naukowo-badawcze oraz badawczo-rozwojowe, a także instytucje otoczenia sektora zaawansowanych technologii. W skład Klastra wchodzą prywatne przedsiębiorstwa, uczelnie wyższe oraz instytuty naukowe PAN – możemy przeczytać w „Monitoringu…”.

Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości (PARP) jest świadoma roli partnerstwa jednostek naukowych i biznesu w kontekście badań m.in. nad technologiami kwantowymi. Nie ulega wątpliwości, że ten przełomowy wynalazek przyniesie korzyści zarówno dla całej gospodarki, jak i społeczeństwa.

Udział w konkursach organizowanych przez PARP, które stawiają na innowacyjność, może być jednym z pierwszych kroków, który przybliży nas do technologii kwantowych. Przedsiębiorcy zainteresowani rozwojem w tym właśnie obszarze powinni zwrócić uwagę na Ścieżkę SMART – konkurs finansowany z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG). By wziąć w nim udział i otrzymać wsparcie, trzeba spełnić wymóg wyboru przynajmniej jednego z dwóch obligatoryjnych modułów. Pierwszy to moduł B+R, obejmujący dofinansowanie prowadzenia prac badawczo-rozwojowych zmierzających do opracowania innowacji produktowej lub procesowej co najmniej w skali kraju. Drugi moduł to wdrożenie wyników prac B+R w przedsiębiorstwie wnioskodawcy na terenie RP. Nabór wniosków trwa do 30 października br. Budżet wynosi 890 mln zł.

Inną inicjatywą jest Rozwój oferty klastrów dla firm, również finansowany w ramach FENG. Ideą konkursu jest wzmocnienie potencjału oraz profesjonalizacji działalności koordynatorów Krajowych Klastrów Kluczowych oraz ponadregionalnych klastrów wzrostowych. Cel ten zostanie osiągnięty szczególnie poprzez rozwój innowacyjnej oferty usługowej dla firm w zakresie badawczo-rozwojowym i internacjonalizację, udział w międzynarodowej współpracy, a także transfer wiedzy i dobrych praktyk w klastrze. Nabór wniosków potrwa do 30 sierpnia br. Środki przeznaczone na dofinasowanie projektów w naborze to 66 mln zł.

Jak komputery kwantowe zmienią IT?

Wykorzystanie obliczeń kwantowych to skok technologiczny, który mógłby przynieść komputery zdolne do działania bilion razy szybciej niż najszybsze dostępne obecnie tradycyjne procesory i rozwiązujące złożone kwestie, np. z obszaru kryptografii czy tworzące doskonalsze modele machine learning i deep learning. Wszystko wskazuje na to, że to właśnie potencjał zjawisk z obszaru fizyki kwantowej w przetwarzaniu danych będzie następnym przełomem w IT.

W odróżnieniu do binarnego systemu zer i jedynek (bitów), stosowanego w klasycznym computingu, quantum computing wykorzystuje kubity, których stan w dowolnym momencie może być reprezentowany przez liczbę zespoloną zwaną amplitudą. Zgodnie z aktualną wiedzą ta właściwość może się przyczynić do tego, że komputery kwantowe będą lepiej rozwiązywać trudne problemy, ponieważ kubity mogą istnieć w większej liczbie stanów niż standardowe bity, stąd komputer kwantowy może obsłużyć znacznie więcej informacji na kubit niż klasyczny komputer na bit.

W 2021 roku firma MarketsandMarkets opublikowała raport, z którego wynikało, że do 2026 roku potencjał rynku quantum computing osiągnie 1,76 mld dolarów, przy złożonej rocznej stopie wzrostu (CAGR) na poziomie 30,2 proc. Według szacunków firmy do 2028 r. wielkość rynku ma osiągnąć 4,37 mld dolarów, z CAGR na poziomie 38,3 proc. od 2023 do 2028 .

Wzrost napędzają czynniki takie jak zwiększenie liczby strategicznych partnerstw i współpraca na rzecz postępu w technologii obliczeń kwantowych oraz rosnące inwestycje w badania. Pomimo imponującej dynamiki technologia obliczeń kwantowych znajduje się wciąż w początkowej fazie, a jedną z głównych barier na drodze komercyjnego zastosowania tej technologii może być poziom jej skomplikowania i koszt budowy maszyn kwantowych. Co na to rynek?

Problemy z komputerami kwantowymi

Warunkiem skutecznego wykorzystania sprzętu kwantowego, oprócz wiedzy na temat pojęć i zasad mechaniki kwantowej w dziedzinie przetwarzania kwantowego, niezbędne będzie także zrozumienie aspektów inżynieryjnych związanych z kwantowym sprzętem, takich jak architektura kwantowa, systemy chłodzenia, kalibracja, stabilność i optymalizacja. Kluczowa będzie także znajomość i umiejętność programowania, która pozwoli na implementację algorytmów kwantowych, symulacje, optymalizację i analizę danych kwantowych.

„OVHcloud wspiera rozwój komputerów kwantowych, pozostając aktywnie zaangażowanym na rzecz otwartych ekosystemów, m.in. poprzez inicjatywę France Quantum, której jest współinicjatorem. Przetwarzanie kwantowe to dynamiczna dziedzina o wysokim stopniu specjalizacji. Oprócz szerokiego spektrum wymaganych kompetencji, zestaw niezbędnych umiejętności będzie ewoluował wraz z postępem badawczym. Wygrają firmy elastyczne i otwarte na naukę nowych umiejętności w miarę rozwoju tej dziedziny.” – podkreśla Robert Paszkiewicz, szef regionu CEE OVHcloud.

Z uwagi na złożoność obliczeń kwantowych część ekspertów uważa, że bariery w postaci wysokiego kosztu budowy, obsługi i utrzymania można obejść w pierwszym etapie, udostępniając kwantowe obliczenia jako usługę (QCaaS). Analogicznie do modelu chmurowego, maszynami kwantowymi dysponować mógłby szereg operatorów, wynajmujących taki zasób klientom w modelu abonamentowym. By zmniejszyć koszty operacyjne, przy udostępnieniu zalet technologii, w początkowej fazie komercjalizacji zakłada się łączenie maszyn kwantowych w hybrydowe układy z klasycznymi, binarnymi jednostkami obliczeniowymi. QC byłoby w tym przypadku odpowiedzialne za określone, najbardziej wymagające zadania.

„Wierzymy, że kwantowa rewolucja okaże się gigantycznym przełomem i stworzy olbrzymie możliwości, które upowszechni chmura, oferując kwantowy potencjał szerokiej gamie odbiorców jednocześnie. Dzięki takiej formie demokratyzacji dostępu do błyskawicznych obliczeń nie będzie to zasób wyłącznie dla wybrańców.” – dodaje Robert Paszkiewicz.

Zastosowanie komputerów kwantowych

Pomagając naukowcom tworzyć algorytmy jutra, OVHcloud chce przyczynić się do tworzenia ekosystemu gotowego na te fundamentalne zmiany. Prowadzenie symulacji i testowanie obliczeń kwantowych już dziś skraca czas od wprowadzenia faktycznego komputera kwantowego do pierwszych praktycznych zastosowań. Tych natomiast eksperci widzą przynajmniej kilka:

•    symulacje – modelowanie procesów zachodzących w naturze. Bariera „obliczalności” nie do przeskoczenia przy pomocy klasycznych komputerów hamuje rozwój wielu ważnych dziedzin, takich jak energetyka czy chemia; od efektywniejszej produkcji nawozów począwszy, po opracowywanie cząsteczek nowych leków, co może zmienić wykorzystanie QC;

•    równania liniowe – leżą u podstaw inżynierii, finansów, chemii, ekonomii i informatyki. Obliczenia kwantowe oferują potencjał do wykładniczej poprawy próbkowania rozwiązań takich równań, co może przyśpieszyć rozwój uczenia maszynowego i w efekcie szkolenie modeli komputerowych;

•    optymalizacja – wiedza o tym, która decyzja w danym scenariuszu ma największy biznesowy potencjał jest bezcenna. Algorytmy optymalizacji mogą poprawić jakość rozwiązań i zwiększyć szybkość ich identyfikacji, co znajdzie także zastosowanie w logistyce, produkcji oraz finansach. Duże banki pokroju Goldman Sachs, JPMorgan Chase lub BBVA już inwestują w QC. Przykładowo, BBVA bada praktyczne zastosowanie systemu kwantowego w tworzeniu korekt wyceny kredytowej (CVA), wymaganych prawem w celu zminimalizowania systemowego ryzyka finansowego;

•    efektywne wyszukiwanie – dzięki QC możliwe będzie zastosowanie w wyszukiwaniu algorytmów (algorytm Grovera), mających na celu znaczne usprawnienie sposobu, w jaki komputery znajdują informacje w dużych nieustrukturyzowanych bazach danych. Może to znaleźć zastosowanie, np. w technologiach diagnozujących anomalie. Analiza genomów wymaga dużej mocy obliczeniowej, algorytm Grovera mógłby znacznie przyspieszyć te wyszukiwania, w efekcie ratując wiele istnień;

•    cyberbezpieczeństwo – eksperci uważają, że zastosowanie obliczeń kwantowych wywróci do góry nogami dotychczasowe modele szyfrowania danych. QC umożliwi łamanie nawet najbardziej skomplikowanych haseł, opartych na dotychczasowych mechanizmach.

Już w kwietniu 2021 roku National Institute of Standards and Technology (NIST), organ rządu USA, którego zadaniem jest opracowywanie standardów cyberbezpieczeństwa, ostrzegł, że kiedy powstanie komputer zdolny do wykonania algorytmu Shora, wszystkie klucze, chronione przy użyciu obecnych algorytmów oraz wszystkie informacje chronione tymi kluczami – zostaną ujawnione. Wprowadzenie QC może w wielu branżach wywołać poruszenie na skalę tego, które miało miejsce w przypadku pluskwy milenijnej. Konieczne będzie przejście do epoki „postkwantowej”.

Pobierz ebook "Ranking Agencji Marketingowych 2025 roku i ebook z poradami o promocji w sieci"