AktualnościŚwiatPrzewaga Chin w informatyce kwantowej

Redakcja10 miesięcy temu
Wspomoz Fundacje

Zespół badaczy pod kierunkiem profesorów Pan Jianweia i Lu Chaoyanga (na zdjęciu) z Chińskiego Uniwersytetu Naukowo-Technicznego w Hefei w prowincji Anhui ogłosił 4 grudnia 2020 r. osiągnięcie kwantowej supremacji, czyli stanu, w którym komputer kwantowy zdolny jest do wykonania obliczeń nieosiągalnych dla komputera niewantowego.

Skonstruowany przez nich, wykorzystujący cząstki światła komputer kwantowy Jiuzhang wykonał w ciągu dwustu sekund obliczenia, które wciąż najpotężniejszemu superkomputerowi niekwantowemu IBM Summit zajęłyby 2,5 miliarda lat. Jiuzhang składa się z zespołu urządzeń optycznych do transferowania fotonów – są to źródła światła, setki płytek światłodzielnych, dziesiątki luster i 100 detektorów fotonów.

Prognozowanie wyników działań na komputerach kwantowych dla klasycznych komputerów jest nieosiągalne; jeden z najpotężniejszych komputerów ludzkości, chiński Sunway TaihuLight miał trudności z prognozowaniem wyników komputerów kwantowych używających do 40 fotonów, podczas gdy w najnowszym eksperymencie z użyciem Jiuzhang, 76 fotonów przepuszczono przez 100 kanałów. Jiuzhang jest 100 kwintylionów razy szybszy od IBM Summit i 10 miliardów razy szybszy niż Google Sycamore [1].

W Jiuzhang fotony wysyłane są przez sieć kanałów, następnie każdy foton napotyka serię płytek światłodzielących, każda spośród których rozszczepia go na dwa do stanu kwantowej superpozycji. Wiązki krzyżują się następnie ze sobą, cały proces powtarza się zaś wiele razy, prowadząc do interferencji fotonów zgodnie z regułami kwantowymi. Na koniec liczba fotonów mierzona jest na wyjściach z sieci. Powtórzony wiele razy, proces wytwarza rozkład liczb oparty na liczbie fotonów wykrytych na każdym wyjściu z sieci. Przy użyciu dużej liczby fotonów i kanałów, komputer kwantowy wytwarza rozkład liczb zbyt złożony do przeliczenia przez klasyczny komputer.

Komputer kwantowy Sycamore, skonstruowany przez Google, który osiągnąć miał kwantową supremację w 2019 r., opiera się nie na fotonach, lecz na materiałach nadprzewodzących. Google Sycamore wykonał w 200 sekund obliczenia, które IBM Summit zajęłyby ok. 10 tys. lat. IBM zaproponował wówczas jednak technikę przeliczania, która pozwoliłaby, przynajmniej teoretycznie, wykonać zadanie zrealizowane przez Sycamore, co podważało tezę o osiągnięciu przez Google kwantowej supremacji.

W odróżnieniu od Jiuzhang, wykorzystującego jedynie technikę próbkowania bozonów Gaussa, Sycamore można jednak programować do wykonywania różnych algorytmów. Wielozadaniowe są również komputery kwantowe produkowane przez specjalizującą się w tej dziedzinie techniki  kanadyjską firmę Xanadu [2]. Jiuzhang przeważa natomiast nad Sycamore w szybkości obliczeń, przydatności środowiskowej i mocy obliczeniowej wobec większej skali problemów.

Uniwersytet Naukowo-Techniczny w Hefei jest częścią tworzonego przez Chiny, kosztem 10 mld USD, Krajowego Laboratorium Informatyki Kwantowej. Jest to największa obecnie inwestycja w tej dziedzinie na świecie i jedno z trzech chińskich laboratoriów informatyki kwantowej, Państwo Środka jest zaś pionierem informatyki kwantowej i zajmuje w niej przodującą pozycję. Chińska Armia Ludowo-Wyzwoleńcza i duże chińskie firmy jak China Shipbuidling Industry Corporation (CSIC) szeroko rekrutują specjalistów w zakresie informatyki kwantowej i tworzą centra ośrodki badawcze we współpracy z ośrodkami akademickimi [3].

Jednym z obszarów gdzie przejawia się przewaga Chin jest łączność kwantowa. Wykorzystuje ona pary splątanych ze sobą kwantowo fotonów, przy czym zmiana stanu kwantowego jednego z nich powoduje automatycznie zmianę stanu drugiego. Oznacza to, że podmiot trzeci nie jest w stanie poznać treści przesyłanego w ten sposób komunikatu, nie zmieniając jej zarazem. Oznacza to też, że każda próba odczytania komunikatu pozostawia ślad, łatwy do wykrycia przez odbiorcę. Chiny wykorzystują obecnie podejście nazywane kwantową dystrybucją klucza (QKD), w której wiadomości szyfrowane są w postaci klasycznych bitów, zaś kryptograficzne klucze potrzebne do ich zdekodowania przesyłane są w postaci kubitów.

W 2005 r. zespół pod kierunkiem prof. Jianweia Pana przesłał transmisję kwantową na odległość 40 km. W 2012 r. Chiny rozpoczęły realizację strategii kwantowej łączności satelitarnej. W 2016 r. umieścili na orbicie okołoziemskiej pierwszego na świecie satelitę do łączności kwantowej. Dysponują obecnie również siecią naziemną do bezpiecznego przesyłania danych pomiędzy Pekinem a Szanghajem.

W listopadzie 2018 r. chińska firma Electronics Technology Group zaprezentowała prototyp radaru kwantowego, który pozwalałby wykrywać „niewidzialne” samoloty takie jak amerykańskie B-2 Spirit, F-22 Raptor, oraz F-35 Lightening, a także określać ich typ i rodzaj przenoszonych przez nie broni i uzbrojenia. Radar kwantowy wykorzystuje wiązki splątanych fotonów: odbity od obiektu foton porównywany jest w detektorze ze splątaną bliźniaczą cząstką, przy czym detektor identyfikuje jedynie fotony wcześniej wysłane, odfiltrowując inne źródła.

Naukowcy z Chińskiej Państwowej Akademii Nauk skonstruowali też kwantowy detektor podwodny, oparty na sieci czujników SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Device), pozwalającej wykryć okręt podwodny z odległości 5-6 km. Macierz składa się z miniaturowych, wzbudzanych wiązkami laserowymi czujników mierzących otaczające pole magnetyczne z użyciem techniki kwantowej znanej jako nieliniowy obrót magentooptyczny i połączonych światłowodami z urządzeniami monitorującymi na lądzie. Czujniki tworzące macierz nie mają zapotrzebowania na energię, będąc de facto atomami zamkniętymi w szklanej komórce.

Sukces komputera Jiuzhang oznacza, że Chiny wysunęły się obecnie na prowadzenie w rywalizacji dotyczącej także obliczeń kwantowych, gdzie dotychczas dominowały USA, ściśle współpracujące w tym zakresie z pozostałymi członkami grupy „Five Eye” (UK, Kanadą, Australią, Nową Zelandią), a także z prowadzącym częściowo autonomiczne badania Izraelem. W prace nad własnym kwantowym procesorem na układzie krzemowym ponad 1 mld euro w 2016 r. zainwestowała UE. W sierpniu 2019 r. własną inicjatywę kwantową o wartości 650 mln euro ogłosiły Niemcy. 790 mln USD w zbudowanie własnego komputera kwantowego zainwestowała też Rosja.

Własny program w zakresie informatyki kwantowej realizuje też Singapur. W rywalizacji liczą się więc praktycznie bieguny chiński i anglosasko-żydowski. Szybkie i zdecydowane zwycięstwo nad blokiem talassokratycznym dałaby na pewno eurazjatycka synergia potencjałów Chin, Rosji i kontynentalnej Europy, co powinno stać się postulatem technostrategicznym.

Ronald Lasecki

Fot. South China Morning Post

[1] https://www.globaltimes.cn/content/1209006.shtml (20.02.2021).

[2] https://www.sciencenews.org/article/new-light-based-quantum-computer-jiuzhang-supremacy (20.02.2021).

[3] https://s3.us-east-1.amazonaws.com/files.cnas.org/documents/CNASReport-Quantum-Tech_FINAL.pdf?mtime=20180912133406&focal=none (20.02.2021).

 

Redakcja