Komputer kwantowy nie jest po prostu szybszą wersją zwykłego komputera. To fundamentalnie inna maszyna, która wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej do przetwarzania informacji w sposób niemożliwy dla klasycznych systemów. Podstawą działania są kubity, które mogą znajdować się w superpozycji stanów – jednocześnie być zerem i jedynką.
Kubity zamiast bitów – fundament kwantowego przetwarzania
Klasyczny bit może być albo w stanie 0, albo 1. Kubit wykorzystuje zjawisko superpozycji kwantowej i może być jednocześnie w obu stanach. To nie znaczy, że przełącza się między nimi bardzo szybko – dosłownie istnieje w obu stanach równocześnie.
Podczas pomiaru kubit „zapada się” do jednego ze stanów klasycznych. Prawdopodobieństwo otrzymania konkretnego wyniku zależy od amplitud stanów kwantowych. Jeden kubit może przechowywać więcej informacji niż klasyczny bit, ale nie można tej informacji bezpośrednio odczytać.
8 kubitów może reprezentować wszystkie liczby od 0 do 255 jednocześnie, podczas gdy 8 klasycznych bitów przechowuje tylko jedną liczbę w danym momencie.
Kubity realizuje się różnymi sposobami – jako spiny elektronów, stany polaryzacji fotonów czy poziomy energetyczne atomów. Każda technologia ma swoje zalety i ograniczenia.
Splątanie kwantowe – połączenia silniejsze niż przewody
Splątanie to zjawisko, w którym kubity stają się ze sobą skorelowane w sposób niemożliwy klasycznie. Pomiar jednego kubita natychmiast wpływa na stan drugiego, niezależnie od odległości między nimi.
W komputerze kwantowym splątanie pozwala na tworzenie złożonych stanów wielu kubitów jednocześnie. System n splątanych kubitów może przechowywać 2^n różnych kombinacji stanów równocześnie. To daje wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej.
Jak powstaje splątanie
Splątanie tworzy się przez kontrolowane operacje na kubitach. Typowa bramka CNOT (Controlled NOT) może splątać dwa kubity – jeśli pierwszy jest w stanie |1⟩, drugi zostaje odwrócony. W superpozycji powstaje stan splątany.
Utrzymanie splątania wymaga izolacji od środowiska. Każda interakcja z otoczeniem może zniszczyć delikatne korelacje kwantowe.
Bramki kwantowe – operacje na stanach kwantowych
Komputer kwantowy wykonuje obliczenia przez sekwencje bramek kwantowych działających na kubity. W przeciwieństwie do bramek klasycznych, bramki kwantowe są zawsze odwracalne.
Podstawowe bramki jednokubitowe to:
- Bramka X – odwraca stan kubita (|0⟩ → |1⟩)
- Bramka H (Hadamard) – tworzy superpozycję z stanu klasycznego
- Bramki fazowe – zmieniają względne fazy stanów kwantowych
Bramki dwukubitowe, jak CNOT czy CZ, tworzą splątanie i realizują logikę warunkową. Kombinacje tych bramek mogą zrealizować dowolne obliczenie kwantowe.
Obwody kwantowe w praktyce
Algorytm kwantowy to sekwencja bramek zastosowanych do kubitów w określonej kolejności. Projektowanie efektywnych obwodów wymaga minimalizacji liczby bramek – każda operacja wprowadza potencjalne błędy.
Typowy obwód zaczyna się od przygotowania kubitów w superpozycji, następnie wykonuje operacje tworzące splątanie i manipulujące fazami, kończy pomiarami wszystkich kubitów.
Dlaczego komputery kwantowe są tak wrażliwe
Stany kwantowe są niezwykle delikatne. Każda interakcja z otoczeniem – wibracje, pola elektromagnetyczne, nawet pojedyncze fotony – może zniszczyć superpozycję i splątanie. Ten proces nazywa się dekoherencją.
Czasy koherencji współczesnych kubitów wynoszą od mikrosekund do milisekund. W tym czasie trzeba wykonać cały algorytm. Typowy komputer kwantowy może wykonać około 100-1000 operacji przed utratą koherencji.
Dlatego większość komputerów kwantowych pracuje w temperaturach bliskich zera absolutnego – około 0,01 K, czyli 100 razy zimniej niż przestrzeń kosmiczna.
Izolacja nie może być jednak całkowita – komputer musi pozwalać na kontrolowane operacje i pomiary. To fundamentalne ograniczenie technologii kwantowej.
Pomiary i odczyt wyników
Pomiar kubita zawsze daje klasyczny wynik – 0 lub 1. Niszczy przy tym stan kwantowy. To oznacza, że nie można „podejrzeć” stanu kubita podczas obliczeń bez zakłócania procesu.
Algorytmy kwantowe projektuje się tak, aby prawdopodobieństwo otrzymania poprawnej odpowiedzi było wysokie. Często trzeba powtórzyć obliczenie wiele razy i analizować statystyki wyników.
Strategie pomiarów
Niektóre algorytmy używają pomiarów pośrednich – mierzą tylko część kubitów, wykorzystując wynik do sterowania dalszymi operacjami. To pozwala na implementację złożonych protokołów kwantowych.
Korekta błędów kwantowych wymaga ciągłych pomiarów kubitów pomocniczych bez zakłócania kubitów z danymi. To jedna z najtrudniejszych części budowy praktycznego komputera kwantowego.
Ograniczenia i wyzwania techniczne
Współczesne komputery kwantowe to urządzenia eksperymentalne z poważnymi ograniczeniami. Błędy w operacjach wynoszą około 0,1-1%, co jest dużo w porównaniu z klasycznymi komputerami.
Skalowanie liczby kubitów napotyka na problemy techniczne. Każdy dodatkowy kubit zwiększa złożoność systemu kontrolnego i ryzyko błędów krzyżowych.
Główne wyzwania to:
- Wydłużenie czasów koherencji – obecnie główne ograniczenie
- Redukcja błędów bramek – szczególnie dla operacji dwukubitowych
- Skalowanie systemów kontrolnych – tysiące linii kontrolnych dla setek kubitów
- Korekta błędów w czasie rzeczywistym – wymaga kubitów pomocniczych
Praktyczne zastosowania dzisiaj
Obecne komputery kwantowe nadają się głównie do badań i eksperymentów z algorytmami. Niektóre firmy testują je w optymalizacji portfeli finansowych czy symulacjach molekularnych, ale bez praktycznej przewagi nad klasycznymi metodami.
Algorytm Shora do faktoryzacji liczb wymaga tysięcy logicznych kubitów z korekcją błędów. Dzisiejsze maszyny mają co najwyżej setki fizycznych kubitów bez korekty błędów.
Najbliższe praktyczne zastosowania to prawdopodobnie optymalizacja kombinatoryczna i symulacje systemów kwantowych w chemii i fizyce materiałów. Tam nawet niedoskonałe symulacje mogą przynieść wartościowe wyniki.