Komputery kwantowe wykonują obliczenia, stosując zasady superpozycji materii i splątania kwantowego

Jak komputery kwantowe mogą zmienić logistykę?

06 kwiecień 2022

Istnieje coraz większa szansa, że komputery kwantowe staną się częścią rzeczywistości, jaką znamy. Urządzenia te działają w oparciu o zasady mechaniki kwantowej – dziedziny fizyki badającej zachowanie światła i materii w skali atomowej i subatomowej – co ma w założeniu umożliwić pokonanie ograniczeń klasycznej informatyki.

Czy technologia ta może znaleźć zastosowanie w logistyce? Czy obliczenia kwantowe mogą pomóc w usprawnieniu procesów ostatniej mili? Czy pozwoliłyby uniknąć kryzysu w łańcuchu dostaw lub przynajmniej zminimalizować jego skutki?

Fizyka kwantowa

Fizyka kwantowa narodziła się w 1900 roku wraz z teorią niemieckiego naukowca Maksa Plancka, według której światło jest przekazywane w postaci małych porcji energii, nazwanych przez naukowca „kwantami”. Ta koncepcja wyewoluowała i doczekała się matematycznej interpretacji dzięki pracy m.in. Alberta Einsteina, Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera. Ten ostatni w 1929 roku zdefiniował zachowanie cząstek atomowych jako falę prawdopodobieństwa, co w odniesieniu do obiektów makroskopowych ilustruje słynny eksperyment myślowy z kotem Schrödingera. Od tego momentu badania nad teorią kwantów postępowały bardzo szybko, a ich wyniki znalazły zastosowanie między innymi w mikroprocesorach, obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego i świetlówkach LED.

Według mechaniki kwantowej reprezentacja położeniowa cząstki jest komplementarna względem jej reprezentacji spinowej, przez co cząstka może znajdować się jednocześnie w wielu stanach. Profesor wydziału fizyki na Uniwersytecie Harvarda David Morin wyjaśnia to w ten sposób: „W mechanice kwantowej cząsteczki mają właściwości falowe. Zachowanie tych fal opisuje równanie falowe Schrödingera”.

Czym są obliczenia kwantowe?

Obliczenia kwantowe przenoszą zasady mechaniki kwantowej do informatyki. Jak pisze profesor informatyki Lee Spector w książce Advances in Genetic Programming: „informatyka kwantowa wykorzystuje dynamikę obiektów w skali atomowej do przechowywania informacji i manipulowania nimi”.

Innymi słowy, technologia ta stosuje zasady superpozycji materii i splątania kwantowego do rozwoju możliwości komputerów. Pozwala to zwielokrotnić ich moc obliczeniową przy zastosowaniu o wiele wydajniejszych algorytmów.

Komputery kwantowe mogą wielokrotnie przyspieszyć działanie urządzeń wykorzystujących uczenie maszynowe czy big data (zdjęcie: Quantum Computer - IBM, na licencji CC BY 2.0)
Komputery kwantowe mogą wielokrotnie przyspieszyć działanie urządzeń wykorzystujących uczenie maszynowe czy big data (zdjęcie: Quantum Computer - IBM, na licencji CC BY 2.0)

Koncepcja obliczeń kwantowych narodziła się na początku lat 80., gdy amerykański fizyk Paul Benioff ogłosił pierwszy model teoretyczny komputera kwantowego. Mniej więcej w tym samym czasie jego kolega Richard Feynman w artykule Simulating Physics with Computers podkreślił konieczność opracowania komputerów kwantowych do prowadzenia cyfrowych eksperymentów z zakresu mechaniki kwantowej.

Od zwykłych bitów do kubitów

Kubit (qubit od ang. quantum bit) to jednostka informacji stosowana w obliczeniach kwantowych. W odróżnieniu od zwykłych bitów, które mogą reprezentować tylko wartość 0 lub 1, kubit może znajdować się w dowolnej superpozycji dwóch stanów kwantowych.

Dzięki tej właściwości obliczenia kwantowe pozwalają znacznie przyspieszyć wykonywanie działań: „kubit to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji w obliczeniach kwantowych, którą można wyobrazić sobie jako unormowany wektor w dwuwymiarowej przestrzeni mogący reprezentować również wartości znane z klasycznej informatyki (0 i 1)”, wyjaśnia w czasopiśmie naukowym Reviews in Physics profesor Román Orús z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Niemczech.

Kubit to jednostka informacji stosowana w obliczeniach kwantowych
Kubit to jednostka informacji stosowana w obliczeniach kwantowych

Komputery kwantowe – zależnie od liczby wykorzystywanych kubitów – mogą wykonywać obliczenia z szybkością nieosiągalną dla konwencjonalnego komputera, zużywając w tym celu znacznie mniej zasobów. Microsoft – niekwestionowany lider w dziedzinie oprogramowania kwantowego – zapewnia, że 500 kubitów wystarczy do reprezentacji danych zawartych w 2500 zwykłych bitów.

Komputery kwantowe są już obecne na rynku. Amerykańska firma IBM uruchomiła w 2019 roku swój pierwszy komercyjny komputer kwantowy wykorzystujący obliczenia kwantowe i tradycyjne. Pierwsze urządzenie tego typu przeznaczone do pracy w warunkach nielaboratoryjnych ma postać szczelnie zamkniętej konstrukcji o długości ponad 3 metrów i pracuje w systemie 20-kubitowym.

Zalety i wady komputerów kwantowych

Największą zaletą komputerów kwantowych jest ich olbrzymia moc obliczeniowa. Stosowanie kubitów zamiast zwykłych bitów pozwala ją zwiększyć wykładniczo, co przekłada się na większą szybkość działania: „komputery kwantowe mogą pracować na rozległych przestrzeniach wielowymiarowych umożliwiających rozwiązywanie problemów o stopniu złożoności poza zasięgiem zwyczajnych komputerów, a nawet niektórych superkomputerów”, zapewnia IBM.

Omawiana technologia ma też jednak pewne wady. Komputery kwantowe wciąż nie zapewniają wymaganej niezawodności. Wraz ze wzrostem liczby kubitów rośnie też podatność na błędy. Jak tłumaczą specjaliści Microsoft: „wzajemne oddziaływania między systemem kubitowym a jego otoczeniem, w tym aparaturą pomiarową, mogą skutkować niespójnymi wynikami”.

To nie jedyna wada obliczeń kwantowych. Komputery kwantowe wymagają do pracy bardzo niskiej temperatury (-273°C). Tylko w takich warunkach bowiem swoją funkcję mogą spełniać niezbędne w konstrukcji materiały nadprzewodnikowe. Podejmowane są już jednak próby przezwyciężenia tej niedogodności.

Zastosowania komputera kwantowego

Obliczenia kwantowe mogą zrewolucjonizować technologie, które coraz częściej są stosowane w różnych gałęziach gospodarki, m.in. przemysłowy internet rzeczy, big data czy blockchain. Petter Wittek w swojej książce What computer means to data mining tłumaczy, że „manipulacja cząstkami na poziomie subatomowym pozwala przyspieszyć procesy uczenia maszynowego i usprawnić wyszukiwanie informacji w olbrzymich bazach danych”.

Na to samo zwracają uwagę autorzy artykułu Quantum supremacy using a programmable superconducting processor opublikowanego na łamach czasopisma Nature: „procesory kwantowe mogą znacznie przyspieszyć wykonywanie niektórych działań”.

Większa moc obliczeniowa komputerów mogłaby przynieść korzyści w wielu dziedzinach, od badań i diagnostyki chorób po meteorologię, która dostarczałaby o wiele trafniejszych prognoz dzięki jednoczesnej analizie wielu wzorców obliczeń kwantowych. „Mechanika kwantowa umożliwiła znaczne postępy w pewnych obszarach medycyny i może zrewolucjonizować badania kliniczne oraz leczenie chorób”, twierdzi Dmitry Solenov, profesor na Uniwersytecie Saint Louis (USA), w artykule opublikowanym na łamach czasopisma naukowego Missouri Medicine. „Biorąc pod uwagę, że nowoczesne komputery powoli osiągają granice mocy obliczeniowej, która jeszcze do niedawna rosła wykładniczo, obliczenia kwantowe – o ile faktycznie wejdą do arsenału naszych metod naukowych – mogą pomóc rozwiązać problemy, które dotychczas przewyższały nasze możliwości”, podsumowuje Solenov.

Komputery kwantowe mogą zwiększyć wydajność technologii działających w oparciu o uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję
Komputery kwantowe mogą zwiększyć wydajność technologii działających w oparciu o uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję

Obliczenia kwantowe w logistyce

Obliczenia kwantowe mogą znaleźć wiele ciekawych zastosowań w dziedzinie logistyki. Komputery kwantowe mogłyby np. wspomóc konwencjonalne rozwiązania informatyczne, zwiększając szybkość pracy urządzeń wykorzystujących uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję.

Międzynarodowa firma doradcza Accenture sugeruje w jednym ze swoich raportów, że „komputery kwantowe mogłyby usprawnić dostarczanie informacji algorytmom uczenia maszynowego. A każda nowa porcja danych zwiększa możliwości sztucznej inteligencji”.

Superkomputery kwantowe mogłyby znacznie usprawnić planowanie tras w logistyce. Oprogramowanie do symulacji magazynu działające na komputerze kwantowym pozwalałoby na przeanalizowanie wszystkich możliwych opcji i wybór najlepszej z nich przy uwzględnieniu olbrzymiej liczby parametrów.

Symulowanie tras to tylko jedna z wielu możliwości zastosowania obliczeń kwantowych do poprawy procesów logistycznych. Bardziej wiarygodne symulacje tworzone przy użyciu komputerów kwantowych pozwolą zbudować łańcuch dostaw odporny na ryzyka.

Obliczenia kwantowe – technologia o wielkim potencjale

Komputery kwantowe mogą przyspieszyć wykonywanie obliczeń, pozwalając na rozwiązanie w kilka minut problemów, które wykraczają poza możliwości tradycyjnych komputerów. Omawiana technologia ma szansę zrewolucjonizować wiele dziedzin życia, w tym również logistykę. To jeden z powodów, dla których Komisja Europejska zainaugurowała niedawno projekt Quantum Technologies Flagship mający zapewnić Unii Europejskiej czołową pozycję w dziedzinie badań nad obliczeniami kwantowymi.

Komputery kwantowe to coś więcej niż tylko kolejna ciekawostka technologiczna. W podsumowaniu raportu A game plan for quantum computing opublikowanego przez firmę badawczą McKinsey czytamy: „komputery kwantowe mogą stać się przełomową technologią, która już wkrótce zmieni naszą rzeczywistość. Zostało niewiele czasu, aby przygotować się na jej nadejście”.