Komputer kwantowy bez tajemnic. „Najbardziej wymagający eksperyment”

Prof. Konrad Banaszek - profesor Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie prowadzi badania z zakresu technologii kwantowych i fotoniki. Koordynator naukowy inicjatywy QuantERA, prowadzonej przez Narodowe Centrum Nauki. Przewodniczący Rady Klastra Q – Klastra Technologii Kwantowych. Członek korespondent Polskiej Akademii Nauk oraz Fellow Member międzynarodowego stowarzyszenia Optica.

Optyka kwantowa i splątanie kwantowe

Oskar Klimczuk, CyberDefence24: Czy mógłby Pan wyjaśnić, czym jest optyka kwantowa?

Prof. Konrad Banaszek: Z optyką mamy do czynienia na co dzień, chociażby dlatego, że w dużej mierze to właśnie zmysłem wzroku poznajemy otaczający nas świat. Optyka kwantowa zaczyna się wtedy, kiedy poznajemy, że światło nie zachowuje się tak jak „na oko” się nam wydaje.

Przez wieki trwała dyskusja o tym, czy światło składa się z cząstek czy też jest falą. Wydawało się, że doświadczenia związane z interferencją promieni światła jednoznacznie pokazały, że światło jest falą. Jednakże potem pojawiły się wskazówki, że jednak światło posiada naturę zarówno falową jak i korpuskularną, co dało początek właśnie fizyce kwantowej.

Optyka kwantowa zaczyna się wtedy, kiedy poza falową naturą światła, która jest najbardziej naoczna, zaczynamy też dostrzegać własności korpuskularne, co oznacza, że kwantowe własności światła stają się dla nas zauważalne.

To jest oczywiście sprzeczne z naszym potocznym doświadczeniem. Jeśli rzucimy kamieniem w stronę wody, to kamień ten przemieszcza się jako materialny obiekt w czasie i przestrzeni, zaś fale na wodzie, które wytworzy w chwili uderzenia w jej powierzchnię, mają zupełnie inną naturę. Tymczasem fizyka kwantowa odkryła, że światło może zachowywać się jak cząstka i fala równocześnie.

Mógłby Pan przybliżyć zjawisko splątania kwantowego? Dużo się o nim mówi w ostatnim czasie.

Wokół splątania kwantowego narosło sporo nieporozumień. Niektórzy zaczęli nawet mówić o metodach łączności szybszej niż światło, dlatego też staram się pilnować, żeby do tych nieporozumień się nie dokładać. Na początek chciałbym wszystkich uspokoić: zasada przyczynowości pozostaje w mocy także w świecie kwantowym!

Wracając do splątania kwantowego, dwa układy kwantowe mogą być ze sobą bardzo silnie skorelowane, przy czym te korelacje są silniejsze niż jakakolwiek sytuacja, którą jesteśmy w stanie sobie wyobrazić na podstawie świata klasycznego. To jest najbardziej przystępne wyjaśnienie, które jestem w stanie podać.

Przykładem może być źródło splątanych par fotonów, które pojedynczo emituje cząstki światła w dwóch różnych kierunkach. Jeśli dokonamy pomiaru polaryzacji jednego z tych fotonów, to na 100% wiemy, że drugi foton po odczytaniu będzie miał prostopadłą polaryzację i to niezależnie od tego, czy te fotony będą oddalone o 1 metr czy o 1000 lat świetlnych. Nie oznacza to jednak, że została przekazana między nimi jakakolwiek informacja!

Stany splątane są bardzo egzotyczne, więc przez długie dziesięciolecia myślano o nich jako niepokojącej teoretycznej ciekawostce, która przeczy znanej nam logice świata klasycznego. Jak to jest, że dwa fotony mogą wykazywać tak silne korelacje? Jedno z rozważanych wyjaśnień dopuszczało, że jednak zachodzi jakaś interakcja szybsza od prędkości światła. Einsteina bardzo to niepokoiło. Splątanie określił jako „spooky action at a distance” - jakby zobaczył ducha.

Dzięki rozwojowi technik doświadczalnych po upływie dziesięcioleci, stany splątane fotonów zostały wygenerowane w laboratoriach, w pełni potwierdzając przewidywania teoretyczne. John Clauser był pierwszym, który sygnaturę splątanych fotonów wykazał doświadczalnie, potem Alain Aspect ze współpracownikami rozwinął to podejście, zaś Anton Zeilinger z zespołem zajął się „seryjną” produkcją splątanych fotonów i ich wykorzystaniem w szeregu bardzo ciekawych eksperymentów. Te badania zaowocowały nagrodą Nobla w 2022 roku.

W Polsce szybko dołączyliśmy do tego nurtu badań. Kiedy na początku lat dwutysięcznych przy Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu powstało Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej, wkrótce zbudowaliśmy źródło stanów splątanych fotonów i przeprowadziliśmy z nimi serię oryginalnych doświadczeń. Teorią i wykorzystaniem stanów splątanych zajmują się od lat 90. na Uniwersytecie Gdańskim prof. Marek Żukowski, współpracownik noblisty Antona Zeilingera, jak również rodzina fizyków Horodeckich: Ryszard, Paweł, Michał i Karol.

Bit a kubit

Rozumiemy intuicyjnie co to jest bit – ma wartość zero lub jeden. Mógłby Pan wyjaśnić czym jest kubit? Wiemy o tym, że wykorzystywane są w urządzeniach nazywanych komputerami kwantowymi.

Kubit może być w stanie tak zwanej superpozycji, z którymi mamy często do czynienia w świecie kwantowym. Mówiliśmy o interferencji światła - jeżeli zapytamy się, jak przechodzi foton przez podwójną szczelinę, to jedyna rozsądna interpretacja jest taka, że ten foton przechodzi trochę przez jedną a trochę przez drugą szczelinę. Przy czym nie należy dociekać dokładnie, przez którą szczelinę przeszedł, bo wtedy te zjawiska interferencyjne nam znikają. Analogicznie, kubit może być naraz w stanie 0 oraz w stanie 1, zachowując zdolność do interferencji.

Czyli to nie jest tak, że w momencie obserwacji on sobie wybiera przez którą szczelinę przechodzi?

Dokładnie tak jest, dlatego my nie powinniśmy obserwować przez którą szczelinę przechodzi. Nie chcemy za dużo wiedzieć. Układom kwantowym nie należy zadawać za dużo pytań czy próbować ich mierzyć zbyt szczegółowo, bo dowiadując się o jednej własności układu kwantowego tracimy informacje o innej własności. Więc tutaj trzeba bardzo, bardzo z tym uważać.

Kubity to właśnie takie stany superpozycji, gdzie foton jest trochę w stanie 0, a trochę w stanie 1. Stąd się bierze takie nieporozumienie związane z komputerami kwantowymi, bo czasem mówi się, że gdy przygotujemy wiele takich kubitów i stworzymy z nich rejestr, z których każdy jest częściowo w stanie 0 oraz częściowo w stanie 1, to wtedy mamy cały rejestr, który w zasadzie przyjmuje na raz wszystkie możliwe wartości wejściowe.

To byłoby świetne, bo wtedy na takim rejestrze możemy równolegle wykonywać operacje dla wielu różnych wartości wejściowych. Niestety, problem pojawia się na końcu: kiedy zmierzymy taki rejestr, to otrzymamy tylko jedną z obliczonych wartości wyjściowych. Dlatego algorytmy kwantowe trzeba bardzo starannie zaprojektować w taki sposób, że jeżeli przygotujemy rejestr w stanie superpozycji i zastosujemy algorytm, to odpowiedź, której poszukujemy ulegnie wzmocnieniu, zaś błędne odpowiedzi na nasze pytanie ulegną wygaszeniu i w końcowym stanie tego rejestru się nie będą pojawiać.

Nie należy myśleć o komputerach kwantowych jako urządzeniach, które po prostu działają szybciej niż komputery klasyczne. One działają zupełnie inaczej. Dlatego też, jeśli chcemy wykorzystać zalety komputera kwantowego, to musimy od nowa wymyślić algorytm rozwiązywania problemu. Do tej pory udało się to jedynie w niewielu przypadkach.

Czy przygotowanie rejestrów przy pomocy oprogramowania kwantowego jest trochę jak eliminacja szumów w takich układach analogowych?

Nieoznaczność kwantowa to odmienne zjawisko niż szumy. Gdyby w rejestrze pojawił się szum, to algorytmy kwantowe przestałyby działać. W fizyce kwantowej każde doświadczenie wymaga wprowadzenia cząstek w dobrze określony stan kwantowy. Niekontrolowane zewnętrzne oddziaływanie zaburza ten stan i w efekcie pojawiłby się „bełkot”. Dlatego ważne jest, aby zachować spójność całego układu.

Wiemy na przykład, że jeżeli mamy dwie szczeliny i oświetlimy je sobie falą, to na ekranie zobaczymy obraz interferencyjny, który się bierze stąd, że wkłady od jednej i drugiej szczeliny dodają się bądź odejmują, zależnie od punktu ekranu. Jeżeli mamy cztery szczeliny, to okazuje się, że jest nawet jeszcze lepiej określone, gdzie te fotony padną na naszym ekranie. Mówiąc obrazowo, miejsce, gdzie pada foton powinno być rozwiązaniem naszego problemu obliczeniowego.

Komputery kwantowe wykorzystują więc interferencję kwantową tak żeby „wycisnąć” z niej jak najwięcej informacji. Cała sztuka zaprojektowania algorytmu kwantowego polega na tym, żeby po prostu te różne drogi w naszym komputerze kwantowym, czy różne wartości rejestru się dodały tam, gdzie trzeba, żeby uzyskać właściwą odpowiedź na nasz problem, a wygasiły odpowiedzi błędne.

Czym różni się kubit fizyczny od logicznego?

Pojedyncze kubity jesteśmy w stanie produkować bardzo dobrej jakości. Pojedynczy foton może być znakomitym kubitem, który jesteśmy w stanie wykorzystywać np. w łączności kwantowej. Natomiast, jeżeli chcemy mieć bardzo dużo kubitów w jednym miejscu, to wtedy jakość tych kubitów pojedynczych robi się w większości przypadków gorsza.

Z uwagi na niedoskonałości kubitów fizycznych trzeba skorzystać z technik tzw. kwantowej korekcji błędów. Polegają na tym, żeby z większej liczby niedoskonałych kubitów fizycznych, zbudować jeden tzw. kubit logiczny, który będzie się zachowywał dokładnie tak jak chcemy, czy też błędy w jego zachowaniu już będą tak małe, że będziemy mogli je zaniedbać.

Technologie kwantowe a cyberbezpieczeństwo

Przechodząc do szeroko rozumianego cyberbezpieczeństwa: jeżeli mowa o kryptografii kwantowej i zabezpieczeniach, powinno występować coś dodatkowego niż tylko czynnik, który zamienia obecnie działające sposoby szyfrowania?

Wiele stosowanych obecnie metod szyfrowania asymetrycznego, czyli zabezpieczania naszej korespondencji w internecie, naszych kont bankowych, naszych danych etc., opiera się na rozkładzie liczb na czynniki pierwsze. Upraszczając, jeśli weźmiemy odpowiednio dużą liczbę naturalną, to komputer klasyczny będzie potrzebował milionów lat, żeby ją „rozszyfrować”, czyli odgadnąć jakie liczby pierwsze pomnożyliśmy, żeby ją otrzymać.

Tymczasem w 1994 roku Peter Shor opublikował algorytm kwantowy, który w teorii pozwala na błyskawiczne rozkładanie liczb pierwszych, o ile dysponujemy odpowiednio dużym i sprawnym komputerem kwantowym. Oznacza to, że ktoś kto pierwszy zbuduje komputer kwantowy i użyje algorytmu Shora, złamie szyfry oparte na kluczu asymetrycznym. Zagrożenie dotyczy także zaszyfrowanych transmisji, które zostały przechwycone wcześniej i były przechowywane do czasu złamania klucza.

Na szczęście obecnie nie zbudowano jeszcze komputera kwantowego zdolnego do poprawnego wielkoskalowego działania. Nikt nie wie, kiedy to się stanie. Osobiście nie sądzę, żeby to wydarzyło się w ciągu najbliższych 5 lat. Może za dziesięć, ale też jestem w stanie sobie wyobrazić taki scenariusz, że badania zostaną zarzucone, gdyż w międzyczasie pojawią się trudności techniczne, których nie zdołamy pokonać.

W tej chwili racjonalnym rozwiązaniem jest wdrożenie w cyberbezpieczeństwie rozwiązań tzw. szyfrowania postkwantowego, czyli algorytmów odpornych na atak komputerów kwantowych. Równolegle rozwijane sprzętowe szyfrowanie kwantowe (kwantowa dystrybucja klucza) podnosi poziom cyberbezpieczeństwa do poziomu nieosiągalnego przy pomocy narzędzi klasycznych. Dzięki tym rozwiązaniom będziemy zarówno przygotowani na uruchomienie komputerów kwantowych, jak i podniesiemy poziom odporności naszych systemów IT na obecne i przyszłe ataki klasyczne. Dużym wyzwaniem w kwantowej dystrybucji klucza jest koszt i złożoność urządzeń. Dlatego też razem z moim zespołem rozwijamy nowatorskie, które mogą umożliwić dużo szersze stosowanie szyfrowania kwantowego, niż jest to planowane obecnie.

Łamanie szyfrów

Mógłby Pan przedstawić, jak w tym momencie wyglądają praktyczne zdolności komputerów kwantowych? Była taka bardzo głośna medialna sprawa o chińskiej publikacji, która opisywała łamanie 50-bitowych kluczy RSA (obecnie stosowane są 2048 oraz 4096 bitowe – przyp. red.). To jest w tym momencie tak naprawdę zastosowanie teoretyczne, które kiedyś może być praktyczne?

To jest kwestia skalowalności. Podstawowy problem jest taki, że urządzenia obecnie określane komputerami kwantowymi działają w małej skali. W tej chwili nikt nie jest w stanie zbudować urządzenia, które by działało w wiarygodny sposób w skali potrzebnej do łamania rzeczywistych szyfrów. Tam wyzwania techniczne cały czas są gigantyczne.

Dlatego sceptycznie podchodzę do tych doniesień. Zdaje się, że nawet chiński zespół, którego wyniki były opisywane, nie twierdził w swoim artykule naukowym, że złamał szyfr RSA. Mamy teraz niestety takie czasy, że popularne media szukają atrakcyjnych oraz przykuwających uwagę nagłówków, a czasem same je wymyślają.

Komputery kwantowe. Pieśń przyszłości czy bańka?

Czyli można powiedzieć, że w niektórych mediach zdolności komputerów kwantowych są przeceniane?

Myślę, że jest to właściwa ocena. Obecnie komputery kwantowe są przede wszystkim urządzeniami badawczymi.

W takim razie komputery kwantowe nie są obecnie urządzeniami produkcyjnymi, czyli służącymi np. do łamania szyfrów?

Zawsze powtarzam, że gdyby ktoś miał prawdziwy i użyteczny komputer kwantowy, to przede wszystkim by się tym nie pochwalił. Dokładnie tak samo jak było z Enigmą w trakcie II Wojny Światowej. Nie widzę oznak, aby ktokolwiek na świecie miał technologię rozwiniętą na tyle, żeby mieć komputer kwantowy z praktycznymi zastosowaniami w łamaniu szyfrów.

Postęp sprzętowy w zakresie jakości oraz czasu życia kubitów jest imponujący, ale jest jeszcze mnóstwo do zrobienia. Osoby zajmujące się oprogramowaniem kwantowym słyszą, że konieczne jest stworzenie takich algorytmów, które działają na niedoskonałych kubitach. Z drugiej strony programiści mówią do zespołów pracujących nad hardware’em: „Słuchajcie, może jeszcze postarajcie się trochę bardziej, żeby wasze kubity były bardziej stabilne i pewne?”

Powodzenie dalszych działań zasadza się na współpracy pomiędzy sprzętowcami a programistami. Co ciekawe, idea komputerów kwantowych często też inspiruje algorytmy klasyczne. Ludzie patrzą z innej perspektywy na wyzwania obliczeniowe, gdy zastanawiają się np. czy dany algorytm kwantowy dałoby się jednak wydajnie zaimplementować na komputerze klasycznym. W Polsce znakomite badania w obszarze algorytmów kwantowych prowadzi prof. Michał Oszmaniec z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.

Warunki środowiskowe oraz Prawo Moore'a

Czy komputery kwantowe w tym momencie wymagają konkretnych warunków środowiskowych do poprawnego działania, np. niskiej temperatury czy braku światła?

To zależy od implementacji. Rozwijane jest kilka konkurencyjnych platform fizycznych, z których każda ma pewne zalety i wady. Porównałbym to do sytuacji, kiedy nie zdecydowaliśmy czy układy scalone dla komputerów budować na krzemie czy germanie, bo nie mamy dobrze opanowanej żadnej z technologii.

Jedną z platform z nich są kubity nadprzewodzące, które wymagają bardzo niskich temperatur, więc całe te urządzenia się umieszcza się w kriostatach bliskich temperaturze zera bezwzględnego. Drugą są pułapki jonowe, gdzie trzyma się jony w jednym miejscu przy użyciu zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Tam z kolei potrzebna jest bardzo dobra próżnia, żeby nasze atomy nie zostały wybite przez przypadkowe zderzenia z resztkami gazu. Infrastrukturę tego typu budują w Polsce naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej.

Są również pomysły, aby zbudować komputer kwantowy na samych fotonach. Na Uniwersytecie Warszawskim z powodzeniem rozwijamy technologie procesorów kwantowych. Dzięki finansowaniu z programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, prof. Wojciech Wasilewski skonstruował optyczną pamięć kwantową o rekordowej pojemności, zaś dr hab. Michał Parniak-Niedojadło opracował techniki wiernego „przenoszenia” fotonów pomiędzy pasmem radiowym a optycznym oraz ich spójnego przetwarzania.

Na pewno bez względu na to, nad jaką platformą pracujemy, nasze wysiłki przynoszą gigantyczny postęp technologiczny. Z pewnością pojawią się bardzo ciekawe, poboczne wyniki, które mogą okazać się same w sobie bardzo użyteczne.

Profesor Artur Ekert z Oksfordu, twórca jednej z najważniejszych metod szyfrowania kwantowego, kiedyś powiedział, że w tej chwili budowa i uruchomienie komputera kwantowego to najbardziej skomplikowany i najbardziej wymagający eksperyment fizyczny. Nikt do tej pory w tak dużej skali nie zapanował nad bardzo złożonym układem kwantowym, żeby móc wykonać obliczenia kwantowe.

W informatyce znane jest Prawo Moore’a, które opisuje wzrost mocy obliczeniowej w czasie. Czy coś takiego można jakkolwiek spróbować zmapować do zdolności komputerów kwantowych, czy to jest raczej niemożliwe?

Badania trwają już dostatecznie długo, aby zacząć porównywać jak z upływem lat zmienia się liczba użytecznych kubitów. Pamiętajmy jednak o tym, że kubit kubitowi nierówny. Ilościowy opis mocy obliczeniowej urządzeń kwantowych pozostaje wyzwaniem, zwłaszcza porównanie różnych platform fizycznych.

Komputery kwantowe nie będą służyć jedynie do łamania szyfrów? Mają wiele różnych zastosowań?

Na razie komputery kwantowe mają stosunkowo niewiele znanych zastosowań. To nie jest tak, że bierzemy sobie dowolny algorytm, który działa na komputerze klasycznym i „jeden do jednego” przenosimy go na komputer kwantowy.

Aby wykorzystać specyficzne cechy komputera kwantowego, jak interferencję, musimy od początku zaprojektować algorytm, który będzie rozwiązywał nasz problem w zupełnie inny sposób. Problemów obliczeniowych, o których wiemy, że można je istotnie szybciej rozwiązać je na komputerze kwantowym, jest obecnie kilka. Jednym z nich jest już wspomniany rozkład liczb na czynniki pierwsze, który został zaproponowany przez Shora. Wówczas od razu zaczęła się kariera komputerów kwantowych.

Perspektywicznie zastosowania komputerów kwantowych mogą być dużo szersze. Wiemy, że zjawiska kwantowe dotyczą nie tylko fizyki, ale też chemii i biologii. Dużo się na przykład spekuluje o zjawiskach kwantowych w mózgu albo o kwantowej naturze fotosyntezy, której energetyczna wydajność jest zaskakująco wysoka. Dlatego można powiedzieć z pewną dozą pewności, że komputery i algorytmy kwantowe będą służyć do symulacji zjawisk na potrzeby chemii, biologii i inżynierii, co pchnie te dziedziny na tory nowej rewolucji naukowo-technicznej.

Druga część rozmowy niedługo ukaże się na łamach naszego portalu.

Serwis CyberDefence24.pl otrzymał tytuł #DigitalEUAmbassador (Ambasadora polityki cyfrowej UE). Jeśli są sprawy, które Was nurtują; pytania, na które nie znacie odpowiedzi; tematy, o których trzeba napisać – zapraszamy do kontaktu. Piszcie do nas na: [email protected]