Komputer kwantowy ODRA-5, działający na Politechnice Wrocławskiej, jest jedną z nielicznych tego typu maszyn w Polsce. Choć brzmi futurystycznie, jego programowanie — jak przyznaje prof. Wojciech Bożejko, kierownik Katedry Automatyki i Obliczeń Kwantowych — bardziej przypomina obsługę maszyn z lat 40. XX wieku niż pracę z nowoczesnym oprogramowaniem.
Kubit zamiast bitu, ale język wciąż prymitywny
Podstawową jednostką informacji w komputerze kwantowym jest kubit, który — w odróżnieniu od klasycznego bitu — może jednocześnie przyjmować wartości zero i jeden dzięki zjawisku superpozycji. W praktyce jednak sterowanie taką maszyną odbywa się przez ręczne generowanie impulsów mikrofalowych, dostarczanych przez falowody. To odpowiednik programowania w kodzie maszynowym albo assemblerze — sposobu pracy, który w klasycznej informatyce odszedł do lamusa co najmniej trzy dekady temu. Języków wysokiego poziomu dla komputerów kwantowych po prostu jeszcze nie ma.
Podobnie wygląda sytuacja z algorytmami. W klasycznej informatyce istnieją grube miliony algorytmów do sortowania, wyszukiwania czy wyznaczania tras — rocznie przybywa ich setki tysięcy. W informatyce kwantowej od dekad funkcjonuje zaledwie kilkanaście do kilkudziesięciu algorytmów, a najbardziej znane z nich — algorytm Shora i algorytm Grovera — powstały jeszcze zanim zbudowano pierwsze realne maszyny kwantowe. Struktury matematyczne używane w obliczeniach kwantowych, oparte na macierzach, są eleganckie teoretycznie, ale nie mają odpowiednika w intuicji zbudowanej przez lata programowania klasycznego.
Hybryda zamiast rewolucji
Dzisiejsze komputery kwantowe ogólnego zastosowania dysponują maksymalnie około 400 kubitami — przy większej liczbie szumy zakłócają obliczenia do tego stopnia, że wyniki tracą wiarygodność. Specjalizowane wyżarzacze kwantowe mają ponad 5600 kubitów, ale nie nadają się do wykonywania bramek kwantowych, stanowiących podstawę obliczeń ogólnych. W tej sytuacji powszechne stało się podejście hybrydowe: komputer kwantowy działa jako koprocesor, wykonując konkretne zadania — na przykład znajdowanie stanów o minimalnej energii — i przekazując wyniki klasycznej maszynie, która przetwarza je dalej.
Granica, za którą maszyny kwantowe zaczną realnie zagrażać współczesnym szyfrom, nazywana jest Q-Day. Do złamania powszechnie stosowanych kluczy 2048-bitowych potrzeba szacunkowo około 10 000 kubitów. Zespół z Caltechu opublikował niedawno w „Nature” opis prototypu z 6100 kubitami — to wartość już niepokojąco bliska temu progowi. Odpowiedzią branży jest kryptografia postkwantowa, choć prof. Bożejko podchodzi do niej sceptycznie: opiera się na założeniu, że znamy granice możliwości komputerów kwantowych, a tego tak naprawdę nie wiemy.
Polska na starcie, ale czas ucieka
ODRA-5 działa bezawaryjnie od maja ubiegłego roku i pełni przede wszystkim funkcję dydaktyczną — od najbliższego roku akademickiego studenci drugiego stopnia kierunku „Informatyka kwantowa” na Politechnice Wrocławskiej będą mogli programować na realnym sprzęcie. Prof. Bożejko szacuje, że opanowanie podstaw nowego paradygmatu programowania zajmie środowisku naukowemu około 20 lat, jednak tempo rozwoju technologii po tym czasie może być lawinowe. Jako przykład wskazuje Finlandię, która z małego kraju wyrosła na telekomunikacyjną potęgę dzięki konsekwentnemu stawianiu na jeden priorytet. W informatyce kwantowej Polska wciąż startuje z tego samego poziomu, co reszta świata — i jest to, według profesora, ostatni moment, by wsiadać do pociągu.
