Technologia kwantowa, czyli skok w przyszłość | Politechnika Gdańska

Właśnie mijają dwa lata od momentu otwarcia Centrum Kompetencji STOS PG, gdzie pod ziemią, na zboczu Góry Szubienicznej, prezentowano superkomputer Kraken. Nowoczesny system podniósł moce obliczeniowe, umożliwiając prowadzenie badań i symulacji naukowcom praktycznie wszystkich specjalizacji i dziedzin: od energetyki jądrowej przez ochronę środowiska po medycynę i farmację – a więc wszędzie tam, gdzie wymagane jest modelowanie z wykorzystaniem ogromnej liczby danych. Innymi słowy, narzędzie w rękach badaczy ułatwia, czy wręcz umożliwia tworzenie nowych technologii i rozwiązań.

Świat nie znosi jednak próżni i po dwóch latach coraz głośniej mówi się o planach wejścia na kolejny pułap obliczeniowy, co ma się ziścić za sprawą instalacji komputera kwantowego. W tym wypadku to po prostu skok w przyszłość – odejście od dotychczasowego systemu opartego na bitach i postawienie na technologię, która co prawda dopiero się rozwija, jednak w teorii może dać ogromną przewagę.

– Oczywiste, że superkomputery też ciągle są udoskonalane. Oprócz wyposażonych w coraz szybsze klasyczne procesory, dostępne są z graficznymi jednostkami przetwarzania bardziej przydatnymi dla algorytmów sztucznej inteligencji. Jednak przetwarzanie złożonych algorytmów na ogromnych zbiorach danych oznacza wykładniczą złożoność obliczeniową, gdzie czasy obliczeń rosną wykładniczo wraz ze wzrostem rozmiaru danych. To ogranicza możliwości takiej analizy. Lepiej postawić więc na komputery, w których czas obliczeń w takim przypadku rośnie liniowo. Komputer kwantowy może nam to zapewnić i jest to jedna z największych jego zalet – podkreśla prof. dr hab. inż. Henryk Krawczyk, pomysłodawca i kierownik projektu.

Myślenie o przyszłości

Nie oznacza to jednak, że superkomputer się zestarzał czy wypadł z obiegu – jest to kolejny etap obranej ścieżki rozwoju mocy obliczeniowych gdańskiego Centrum Kompetencji STOS – obie technologie mają się bowiem wzajemnie uzupełniać.

– Myślenie o przyszłości zmusza nas do tworzenia technologii umożliwiającej sprostanie zapotrzebowaniu na rosnące moce obliczeniowe i energetyczne. Dotyczy to nie tylko samej nauki, ale też wielu praktycznych problemów rozwiązywanych przy współpracy ośrodków akademickich z firmami zarówno polskimi, jak i zagranicznymi. Chcąc sprostać tym wyzwaniom, Politechnika Gdańska od 30 lat rozwija obliczenia superkomputerowe. Obserwujemy przy tym podobne zjawisko jak przy budowie dróg. Powstaje wiele autostrad, by zmniejszyć natężenie ruchu, jednak nowe arterie po pewnym czasie są już niewystarczające. Tak więc potrzebujemy coraz większej mocy obliczeniowych, inaczej coraz szybszych superkomputerów – dodaje prof. Henryk Krawczyk.

Technologia kwantowa, która obecnie dopiero się rozwija, nie dotrze na Pomorze bez infrastruktury, która powstała na zboczu Góry Szubienicznej. 
W Centrum Kompetencji STOS specjalnie pozostawiono wolne komory w serwerowni, które zapewniłyby warunki potrzebne do pracy komputera kwantowego. To z kolei nie jest łatwą sztuką – kubity, na których bazuje „technologia przyszłości”, są wyjątkowo podatne na zakłócenia i najlepiej odnajdują się w niskiej temperaturze, a raczej skrajnie niskiej temperaturze. Dopiero w takich warunkach jest możliwe osiągnięcie synergii.

– Ten postęp nie tylko kładzie podwaliny pod dalszy sprzęt, ale także podkreśla istotną współpracę między komputerem kwantowym a superkomputerem, szczególnie w obszarach przygotowywania i przesyłania danych. Jest to realizacja hybrydy obliczeniowej, która polega na współdziałaniu superkomputera z komputerem kwantowym. Komputery kwantowe muszą być odpowiednio zabezpieczone i, co najważniejsze, utrzymywane w ekstremalnie niskich temperaturach, bliskich zera absolutnego. Jest to kluczowe, ponieważ komputery kwantowe są bardzo podatne na zakłócenia spowodowane podwyższonymi temperaturami i innymi oddziaływaniami niszczącymi delikatne stany splątane. Obecny rozwój idzie w kierunku łączenia wielu fizycznych kubitów w celu utworzenia jednego logicznego kubitu, który byłby odporny na takie zakłócenia – zaznacza prof. dr hab. inż. Józef Sienkiewicz, prorektor ds. współpracy. 

„Zagłębiamy się w mikroświat”

Założenia teoretyczne wskazują nam, że zastąpienie systemu binarnego systemem opartym na kubitach mogących osiągać mnogość stanów będzie stanowić rewolucję w przypadku możliwości obliczeniowych i to na ogromną skalę.

– W tym wypadku wykorzystuje się przetwarzanie, w którym działania binarne realizują kubity, czyli bity kwantowe. Przy czym nie analizuje się jednego ciągu binarnego, ale wszystkie możliwe jego kombinacje. W ten sposób można wykonywać różnorodne operacje na kubitach równolegle – tłumaczy prof. Henryk Krawczyk.

– Posiadanie komputera kwantowego znacznie przyspieszy rozwój nauki w Gdańsku, na Pomorzu i w całym kraju. Zmiana powoduje zastąpienie klasycznych układów binarnych przez układy kwantowe. W komputerach klasycznych informacje są zarządzane za pomocą urządzeń takich jak tranzystory. W nadprzewodnikowych komputerach kwantowych odpowiednikami są złącza Josephsona. Zagłębiamy się w mikroświat, w którym elektrony, fotony i atomy przenoszą kwantowe informacje – dodaje prof. Józef Sienkiewicz. 

Oczekiwania rosną wraz z postępem prac

Warto jednak zwrócić uwagę, że cały czas mówimy o rozwiązaniach, które są rozwijane. Mamy uzasadnione oczekiwania, jednak znajdujemy się również w dość ekscytującym momencie. Znamy potencjał, technologia jest jednak na tyle skomplikowana i podatna na zakłócenia, że cały czas czekamy na pierwsze kroki tej rewolucji i jej praktyczne zastosowanie.

Przed nami również wyzwania natury technicznej. Komputery kwantowe są bardziej energochłonne, przez co niektóre ośrodki w swoich planach zakładają wręcz budowę mikroelektrowni atomowych przy centrach komputerowych. Dodatkowo, jak wskazują eksperci, samo przechowywanie danych jest również bardziej kosztowne. Pomimo tych przeszkód technologia kwantowa już teraz stopniowo zaczyna być wykorzystywana.

– Obecnie systemy kryptograficzne opierające się na fizyce kwantowej to zjawisko niszowe. W praktyce wiemy, że szwajcarski system bankowy stosuje tego typu zabezpieczenia w komunikacji, a jeśli chodzi o wdrażanie komercyjne, jest to realizowane przez firmę Toshiba. Biorąc jednak pod uwagę postępy w tej dziedzinie, można oczekiwać, że rynek będzie rosnąć. Kryptografia kwantowa ma ogromną przewagę nad kryptografią klasyczną – już sama konstrukcja protokołów sprawia, że prawa fizyki uniemożliwiają jakiekolwiek naruszenie bezpieczeństwa. Zaburzenie jest bowiem od razu widoczne. W ostatnich latach rozwija się również kryptografia niezależna od urządzenia, co pozwala zabezpieczyć komunikację, nawet jeśli nie ufamy urządzeniom, z których korzystamy. Przykładowo możemy kupić system kryptograficzny od Rosji, której nie ufamy, ale technologia daje nam pewność, że samo urządzenie nas nie oszuka – opisuje dr hab. inż. Piotr Mironowicz, prof. PG z Katedry Algorytmów i Modelowania Systemów.

Technologia niesie zagrożenia?

Obecnie, między innymi z racji wspomnianych kosztów i potrzeby inwestowania w zaawansowane rozwiązania techniczne, jedynie nieliczne ośrodki mogą sobie pozwolić na początki prac w tym obszarze. Co jednak gdyby technologia wpadła w niepowołane ręce? Jakie zagrożenia niosą komputery kwantowe w kwestii wspomnianego cyberbezpieczeństwa?

– Rodzi to oczywiście pewne zagrożenia. Klasyczne systemy oparte są na tym, że rozkład liczby na czynniki pierwsze jest procesem trudnym. Innymi słowy bezpieczeństwo kryptografii klasycznej jest oparte na tym, że wytworzenie pewnych obliczeń jest niezwykle kosztowne i czasochłonne i nikt nie włoży w to tyle zasobów, aby dane szyfry złamać. W przypadku technologii kwantowej będzie to nie tylko łatwe, ale i bardzo szybkie. Dlatego wejście technologii kwantowej sprawi, że zabezpieczenia oparte na klasycznych systemach przestaną być zabezpieczeniami. 
W obecnym świecie jest to bardzo ważne, bo praktycznie we wszystkim co robimy, potrzebujemy bezpiecznej komunikacji – od kwestii bankowych, które są najbardziej jasnym przykładem, przez kwestie związane z rozmowami i podsłuchami, po Internet Rzeczy – chcemy mieć komunikację między naszymi przedmiotami np. w domu bez ingerencji osób trzecich – mówi prof. Piotr Mironowicz.

Eksperci są jednak raczej spokojni o przyszłość i zwracają uwagę, że są to procesy równoległe – w tym czasie będą również rozwijane metody związane z zabezpieczeniami. 

Obliczenia nie zajmą dni, a sekundy

Trudno zobrazować moc obliczeniową technologii kwantowych bez konkretnych przykładów. Warto sięgnąć więc do dziedzin, które przy modelowaniu posiłkują się tysiącami cząsteczek, co ma miejsce między innymi w naukach biotechnologicznych i farmaceutycznych przy tworzeniu nowych związków czy badaniu interakcji substancji czynnych, a także procesów biochemicznych.

– Cała biologia to nauka o setkach tysięcy atomów i wytwarzających się między nimi interakcjach, więc modelowanie takich układów jest niezwykle skomplikowane, zwłaszcza za pomocą klasycznych komputerów. Wystarczy wziąć do analizy białka składające się z tysięcy aminokwasów. W żadnej przewidywalnej przyszłości nie będziemy w stanie stworzyć takiego modelowania, posiadając komputery o standardowych mocach. Takie możliwości dają jednak komputery kwantowe i w mojej ocenie jest to perspektywa 10–15 lat. Jest to bardzo przyszłościowe, bo być może ograniczymy w ten sposób samą pracę w laboratoriach na rzecz obliczeń przy pomocy technologii kwantowej – dodaje prof. Piotr Mironowicz.

Efekty zwiększania mocy obliczeniowych widzimy jednak już teraz. Instalacja superkomputera pozwoliła znacząco skrócić czas pracy zespołów badawczych.

– Wystarczy wyobrazić sobie modelowanie reakcji wirusa z białkiem. Niedawno modelowanie takiej jednej reakcji trwało co najmniej rok. Dzięki naszym modyfikacjom tradycyjnych algorytmów obliczenia zajmują dzisiaj 1–2 dni, tzn. około tysiąc razy szybciej. W przypadku komputera kwantowego czas obliczeń skomplikowanych reakcji będzie liczony co najwyżej w sekundach. To zdecydowanie zwiększy możliwości prowadzenia prac badawczych i w konsekwencji poprawi efektywność pracy naukowców – dodaje prof. Henryk Krawczyk.

Nauki biotechnologiczne i farmaceutyczne to jednak tylko jeden z obszarów, w którym potencjalnie sprawdzi się technologia kwantowa.

– Technologia kwantowa będzie miała również duże znaczenie w ekologii, w zwiększaniu efektywności przetwarzania energii, w optymalizacji procesów przetwarzających lub generujących energię. Będziemy potrafili modelować różnego rodzaju procesy i proponować nowe rozwiązania. Ponadto komputery kwantowe wykorzystamy również w ekonomii do analiz rynku czy wykrywania oszustów, aby minimalizować ryzyko i zwiększać zyski – mówi prof. Piotr Mironowicz.

Wykorzystanie komputera kwantowego może również okazać się niezwykle efektywne w sektorze bezpieczeństwa w kontekście monitoringu sytuacji kryzysowych, tworzenia rozwiązań i optymalizacji procedur w odpowiedzi na zagrożenie. Umiejętne wykorzystanie technologii wsparłoby proces zarządzania wszędzie tam, gdzie przy pomocy dużej liczby zmiennych potrzebne jest podjęcie szybkich i precyzyjnych decyzji. To również duża szansa dla naszego regionu.

– Istnieją pomysły mające na celu stworzenie cyfrowej reprezentacji sieci energetycznej w regionach takich jak Pomorze. Taki cyfrowy model umożliwi symulację niebezpiecznych zjawisk i szybką identyfikację rozwiązań w oparciu o scenariusze opracowane przy pomocy komputera kwantowego. Chociaż powyższe przedsięwzięcia są trudne, pozostajemy optymistycznie nastawieni do wykorzystania możliwości kwantowych obliczeń – mówi prof. Józef Sienkiewicz.

Obecnie trwają intensywne prace, aby w ciągu dwóch lat zainstalować na uczelni mały 5-kubitowy komputer kwantowy. Uczelnia w tej sprawie współpracuje z różnymi podmiotami, a także z Ministerstwem Cyfryzacji.

– Będziemy starali się mieć dla niego offset, pozwalający za pomocą odpowiednio dobranych impulsów elektromagnetycznych na kontrolowanie stanów splątanych. Podpisaliśmy umowę o współpracy z fińską firmą IQM produkującą nadprzewodnikowe komputery kwantowe. Następnie chcielibyśmy ten mały komputer rozbudować do 150-kubitowego. Jednak nawet 5-kubitowy komputer kwantowy pozwoli nam na wykonywanie licznych prac badawczych i prowadzenie ciekawych zajęć ze studentami – puentuje prof. Józef Sienkiewicz. 

Piotr Kallalas