Takie komputery to nasza przyszłość

Nieraz już słyszeliśmy, jak ktoś mówi o granicy technologicznej rozwoju procesorów. Na ogół chodzi o kres możliwości dalszej miniaturyzacji lub wyczerpanie fizycznych możliwości krzemu. Tymczasem, postęp, choć wolniejszy, nadal następuje.

Obecnie produkowane są już układy w litografii 5 nm. W opracowaniu są też technologie 2-nanometrowe. Dalszy postęp jest możliwy dzięki wprowadzeniu do użycia tranzystorów multibramkowych GAAFET. Jak widać, jeśli chodzi o technologię, nigdy nie powinniśmy mówić nigdy.

Binarne słabości

Jednak komputery (i smartfony, konsole i…) mają ograniczenia natury nie tylko sprzętowej. Jak wiecie, procesor w rzeczywistości wszystko sprowadza do wartości binarnych. Najbardziej podstawowa jednostka informacji, czyli bit, może przybrać tylko wartość 1 lub 0, nigdy w tym samym czasie.

Dlatego nawet najbardziej zaawansowane informacje, jak obrazy, filmy czy modele 3D, dla CPU to mniej lub bardziej obszerne ciągi zer i jedynek. Obliczenia mogą zachodzić z ogromną prędkością, w przypadku superkomputerów daje to możliwość przeprowadzenia zaawansowanych symulacji.

Niektórym obliczeniom mogą nie poradzić nawet superkomputery. Źródło: Oak Ridge National Laboratory

Są jednak obszary, gdzie nawet najpotężniejsze maszyny binarne mogą sobie nie poradzić. Dobrym przykładem może być próba symulowania zachowania się białek. To ciągi aminokwasów, które dzięki przybieraniu określonych kształtów mogą spełniać różnorodne funkcje.

Powiązane:Najmniejszy PC z RTX 5060 Ti kosztuje ponad 7000 zł. Zotac sprzedaje go tylko w jednym kraju

Możliwości zwijania się wstążek białkowych są niemal niezliczone. Już zasymulowanie każdego kształtu łańcucha 100 aminokwasów jest ciężkim zadaniem nawet dla superkomputera. To biliony, jeśli nie większe liczby określające liczby możliwych kombinacji struktur białkowych.

Wszystko dlatego, że tradycyjny komputer będzie sprawdzał każdą możliwość po kolei w określonym porządku. Taki schematyczny sposób pracy, mimo ogromnej mocy obliczeniowej, może zająć spore ilości czasu.

Jak działa komputer kwantowy?

Pomysł wykorzystania efektów kwantowych do obliczeń w specjalnych maszynach wykiełkował już na początku lat 80-tych. W ich połowie powstała idea budowy komputera kwantowego, a jej autorem jest David Deutsch z brytyjskiego Uniwersytetu Oksfordzkiego.

Jednak dopiero w ostatnich latach doczekaliśmy się faktycznej, fizycznej realizacji działającego procesora kwantowego. Obecnie działa już co najmniej kilka takich komputerów – dobrym przykładem jest Google Sycamore lub chiński Zuchongzhi 2. Posiadają one na ogół kilkadziesiąt kubitów, ale nawet ta pozornie niewielka liczba pozwala na zachwycające obliczenia.

Procesor kwantowy komputera Google Sycamore. Źródło: Google/Creative Commons

Ale właśnie, czym jest kubit? Kubit to inaczej kwantowy bit, podstawowa jednostka obliczeniowa w komputerach kwantowych. Fizycznie kubitem jest na ogół cząstka elementarna, jak foton lub elektron utrzymywana w określonych warunkach. Dane zaś są reprezentowane przez stan kwantowy kubitu lub kubitów.

Choć teoretycznie nazwa kubit trochę kojarzy się z bitem, na tym podobieństwa się kończą. Kubit w odróżnieniu od bitu, nie przyjmuje wartości 1 lub 0, ale jest ich superpozycją. Oznacza to, że tak naprawdę przedstawia zarówno 1, jak i 0, a także wszystko to co jest pomiędzy nimi i to jednocześnie.

Kubity opierają się na stanie cząstek elementarnych, jak np elektron. Źródlo: Norbert Kowalczyk / Unsplash

Sprawia to, że może przechowywać nieporównywalnie więcej danych niż bit. Oznacza to też, że aby uzyskać racjonalny wynik obliczeń, potrzebne są specjalne algorytmy, tutaj na ogół probabilistyczne. Dopiero uśredniona wartość z wielu obliczeń może nam dać konkretną odpowiedź.

Specyficzny sposób, w jaki pracują komputery kwantowe, pozwala na wykonywanie pewnych obliczeń z niespotykaną wcześniej wydajnością. Wcześniej wspomniany problem z symulowaniem ułożenia aminokwasów, który zajmie tradycyjny komputer na długo i pochłonie ogromne ilości energii, komputer kwantowy może rozwiązać dosłownie w chwilę.

Kubity i mechanika kwantowa pozwalają na tworzenie swego rodzaju wymiarów kwantowych, przeprowadzania jednocześnie dużej liczby operacji i tworzenia efektu splątań kwantowych (gdzie dwa kubity mają ten sam stan, na podstawie jednego można odczytać drugi, niezależnie od jego miejsca w przestrzeni).

Choć komputery kwantowe nie rozszerzają możliwości obliczeniowych, wykorzystanie mechaniki kwantowej pozwoli zyskać więcej czasu, zarazem oszczędzając czas i energię. Dzięki nim będzie możliwe wykonanie symulacji, które zajęłyby superkomputerom nawet dziesiątki lat.

Jest jednak kilka „ale”

Niestety nie we wszystkim komputery kwantowe mogą się sprawdzić. Obliczenia polegające np. na sortowaniu dużych ilości danych, lepiej zostawić komputerom krzemowym. Procesory kwantowe borykają się z pewnymi technicznymi problemami.

Pomijając już pewne fizyczne utrudnienia, jak wykorzystanie nadprzewodników lub niskich temperatur, mechanika kwantowa nadal jest nie do końca dobrze zrozumianą dziedziną. Wyniki obliczeń obarczone są błędami, potrzebne są algorytmy uśredniające i naprawiające te uchybienia.

Komputer kwantowy Google Sycamore. Źródło: Google

Istotnym ograniczeniem jest też dekoherencja kwantowa. Jest to zjawisko, które powoduje niekontrolowaną utratę informacji (stanu lub splątania kwantowego) w wyniku wpływu otoczenia. Coraz lepsze algorytmy starają się ten problem ograniczyć, ale nadal on występuje.

To są istotne wady, ale która nowa technologia ich nie posiada? Być może z czasem komputery kwantowe staną się doskonalsze, łatwiejsze w implementacji i obsłudze. Możliwości obliczeniowe, które mogą zapewnić, warte są każdego nakładu pracy naukowców.

Więcej:„Chcemy tworzyć sprzęt w przyszłości”. Prezes Xboxa zapewnia, że Microsoft dalej będzie robił konsole

• komputery
• gaming
• PC