Komisja Europejska opublikowała wyniki unijnego rankingu indeksu gospodarki cyfrowej i społeczeństwa cyfrowego (DESI) za 2019 r. Około 20 proc. mieszkańców naszego kraju w ogóle nie korzysta z internetu, a prawie 50 proc. nie ma podstawowych umiejętności cyfrowych. Polska jest na 26. miejscu w rankingu integracji cyfrowej w przedsiębiorstwach. W kategorii cyfrowych usług publicznych zajęliśmy 23. miejsce. Tymczasem na świecie trwa już II rewolucja kwantowa. Mimo dużego potencjału polski wkład w rozwój tej technologii ma charakter symboliczny.

Fot. Pixabay

Do tej pory IBM i Google byli liderami quantum computing. Jednakże Honeywell poinformował, że jego komputer kwantowy osiągnął pojemność dwukrotnie większą niż konkurencyjna maszyna IBM. Honeywell ma więc w tej chwili najpotężniejszy komputer, którym dysponuje ludzkość. Według „Forbesa”, koreański producent planuje udostępnić w chmurze obliczeniowej swoją technologię innym firmom. Koszt takiej usługi to około 10 tys. dolarów za godzinę użytkowania.

Fizyka kwantowa opisuje zachowanie atomów oraz podstawowych cząstek, takich jak elektrony i fotony. Wybitny ekspert w dziedzinie fizyki kwantowej prof. Shohini Ghose z Uniwersytetu Wilfrid Laurier wyjaśnia: „Komputer kwantowy kontroluje zachowanie tych cząstek, ale zupełnie inaczej niż zwykłe komputery. Komputer kwantowy nie jest zaawansowaną wersją obecnych komputerów, tak jak żarówka nie jest jedynie silniejszą świecą. Nie można zbudować żarówki przez tworzenie coraz lepszych świec. Żarówka to inna technologia, oparta na głębszym rozumieniu naukowym. Podobnie komputer kwantowy jest nowym typem urządzenia, opartym na fizyce kwantowej. Jak żarówka zmieniła społeczeństwo – komputery kwantowe mają potencjał, by wpłynąć na wiele aspektów naszego życia, w tym na potrzeby bezpieczeństwa, służbę zdrowia, a nawet na internet”.

Co to jest komputer kwantowy?

Komputery kwantowe opierają się na wykorzystaniu praw kwantowych, a nie klasycznych praw natury. Zamiast bitów, które są w tradycyjnych komputerach – czyli stanów binarnych „0” albo „1” (prąd włączany lub wyłączany w chipie) – w technologii kwantowej są kwantowe bity, zwane kubitami.

Jak opisuje prof. Shohini Ghose: „Bit kwantowy ma bardziej płynną, niebinarną tożsamość. Może istnieć w superpozycji lub w kombinacji zera z jedynką, gdzie zero lub jedynka to kwestia prawdopodobieństwa. Innymi słowy, plasuje się na skali. Na przykład może być zerem na 70%, a jedynką na 30% albo 80-20% lub 60-40%. Możliwości jest nieskończenie wiele. Kluczowe jest to, że trzeba zrezygnować z dokładnych wartości zera i jedynki, i dopuścić niepewność. Podczas gry komputer kwantowy tworzy płynną kombinację zer i jedynek, tak że superpozycja pozostaje nienaruszona. To przypomina mieszanie dwóch płynów. Czy je mieszamy czy nie, płyny pozostaną mieszanką, tyle że w ostatnim ruchu komputer kwantowy może „odmieszać” zera i jedynki”.

W komputerach kwantowych kubity mogą znajdować się w stanach „0” lub „1” lub obu jednocześnie. Jest to właściwość fizyki kwantowej zwana superpozycją. Wykorzystanie tego zjawiska sprawia, że moc obliczeniowa kwantowych maszyn jest tysiące razy większa niż superkomputerów. W klasycznych komputerach prędkość obliczeniowa wzrasta liniowo. Zależy ona od liczby bitów oraz tranzystorów, poprzez które te bity są moderowane. Im więcej tranzystorów, tym większa liczba bitów. Natomiast w komputerach kwantowych moc obliczeniowa rośnie wykładniczo. Powiązane kwantowo kubity oddziałują między sobą i są względem siebie w superpozycji.

Klasyczne komputery rozwiązują problemy po kolei. Komputery kwantowe działają według paradygmatu probabilistycznego – naraz starają się znaleźć wszystkie możliwe rozwiązania. Ta cecha pozwala im na przykład odkrywać takie rozwiązania, które do tej pory były niemożliwe do zidentyfikowania przez superkomputery. Na obecnym etapie rozwoju tej technologii, wydaje się ona bardzo skomplikowana. Do jej zrozumienia i wykorzystania konieczna jest wiedza specjalistyczna. Przypomina to wczesne lata rozwoju klasycznych komputerów. Wtedy maszyny o mocy obliczeniowej dzisiejszych kalkulatorów, swoimi gabarytami wypełniały olbrzymie pomieszczenia laboratoryjne. Ubrani w białe kitle naukowcy, krążyli wokół tajemniczych wielkich szaf z lampowymi układami elektronicznymi.

Kwantowa kraina czarów

Komputery kwantowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie występuje potrzeba optymalizacji procesów. Z racji kwantowej natury, doskonale sprawdzają się w projektowaniu i analizie molekuł. Mogą więc być bardzo przydatne w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, zwłaszcza do tworzenia nowych leków.

Naukowcy zakładają, że w przyszłości symulacje kwantowe rozwoju leków, mogą prowadzić do leczenia takich schorzeń, jak choroba Alzheimera. Prof. Shohini Ghose jest zdania, że komputery kwantowe umożliwią „teleportację informacji” z miejsca na miejsce bez fizycznego jej przesyłania. „Jest to możliwe, gdyż płynność cząsteczek kwantowych może zaplątać się w czasie i przestrzeni tak, że zmiana w jednej cząsteczce będzie wpływać na inną, a to tworzy kanał dla teleportacji. Zjawisko „teleportacji informacji” było już demonstrowane w laboratoriach. Może ono być częścią kwantowego internetu przyszłości. Nie mamy jeszcze takiej sieci – mówi prof. Shohini Ghose – ale mój zespół pracuje nad tymi możliwościami, symulując sieć kwantową na komputerze kwantowym. Zaprojektowaliśmy i wdrożyliśmy ciekawe nowe protokoły, jak „teleportacja danych” między użytkownikami sieci, a nawet bezpieczne głosowanie”.

Technologii kwantowej niepewności używa się już do szyfrowania, które oparte jest na wykorzystaniu zjawiska polaryzacji fotonów. Takie kodowanie jest całkowicie bezpieczne. Na przykład umożliwia ono prowadzenie rozmów telefonicznych, wymianę sms-ów lub e-maili bez żadnego zagrożenia podsłuchem. Badania nad kwantową kryptografią prowadzone są przede wszystkim przez sektor militarny. Należy spodziewać się, że ich rezultaty zostaną udostępnione również cywilnym użytkownikom. Gdy upowszechni się dostęp do komputerów kwantowych, obecne metody zabezpieczeń – nawet najbardziej wyrafinowanymi kodami – mogą zostać złamane w czasie kilku mikrosekund. Trudno wyobrazić sobie konsekwencje takiej sytuacji.

W tym kontekście, dotychczasowa dyskusja o cyberbezpieczeństwie – bez uwzględnienia kwantowej mocy – przypomina debatę o tym, czy rozwijać hodowlę koni pociągowych w erze rozwoju inteligentnych pojazdów autonomicznych, szybkich kolei i transportu lotniczego. Dotyczy to zwłaszcza bezpieczeństwa światowego systemu i obrotu finansowego, sterowania ruchem lotniczym, a nawet globalnego ładu militarnego. Z takiej perspektywy, twórczość prawników i unijnych biurokratów, którzy mozolnie doskonalą znane wszystkim kuriozum w postaci RODO jest zwyczajną, bardzo kosztowną stratą czasu. Zamiast wydawać miliardy na tworzenie (już niedługo „martwych”) regulacji oraz rozbudowę „tradycyjnych” systemów ochrony danych – lepiej zacząć myśleć o tym, jak stworzyć globalny ład bezpieczeństwa – oparty na kodowaniu kwantowym. Zhakowanie klucza do kodu kwantowego oznaczałoby obalenie praw fizyki.