Komputery kwantowe w fabryce, wspierające procesy produkcyjne, zarządzające przepływem materiału lub przewidujące stany awaryjne maszyn brzmią dzisiaj jak scenariusz filmu science fiction. Jest to spowodowane tym, że wykorzystanie komputerów kwantowych w przemyśle jest nadal odległą wizją, która niekoniecznie może się zmaterializować przez następną dekadę lub może zostać wyparta przez technologię, której dzisiaj jeszcze nie znamy.

 

Czym tak naprawdę jest informatyka kwantowa? W dużym skrócie można napisać, że są to obliczenia wykonywane korzystając z praw mechaniki kwantowej. Różnica pomiędzy obliczeniami kwantowymi a obliczeniami wykonywanymi na współczesnych komputerach “klasycznych” pojawia się już w sposobie reprezentacji danych. W przypadku klasycznych komputerów podstawowym nośnikiem informacji jest bit: może on mieć stan 0 lub 1, w każdej chwili stan ten jest dokładnie określony, możemy go zmienić korzystając z bramek logicznych (fizycznie realizowanych poprzez tranzystory w komputerze) takich jak np. AND, OR, NOT, a wyniki obliczeń są deterministyczne (losowość stosowana w klasycznych komputerach jest tak naprawdę “pseudolosowością” realizowaną poprzez deterministyczne generatory liczb losowych).

W przypadku informatyki kwantowej zamiast bitów mamy kubity – mogą one być w stanie superpozycji stanów 0 i 1, a więc mogą nieść pewne informacje zarówno o stanie 0, jak i o stanie 1. Informacje te determinują jedynie prawdopodobieństwa otrzymania wartości 0 lub 1 w wyniku pomiaru, ale sam wynik pomiaru może być niedeterministyczny. Analogicznie jak w przypadku komputerów klasycznych stan kubitu (a więc też prawdopodobieństwo otrzymania 0 lub 1 w wyniku pomiaru) może być modyfikowany przy pomocy bramek kwantowych – są to jednak zupełnie inne bramki, pełniące inne funkcje logiczne i realizowane w inny sposób fizycznie. Mamy np. bramkę Hadamarda, która stany 0 i 1 może zamienić w superpozycję tych stanów, w której prawdopodobieństwa otrzymania 0 i 1 w wyniku pomiaru są takie same, równe ½. Dzięki temu, mając 1 kubit można potencjalnie otrzymać w wyniku pomiaru jedną z dwóch wartości: 0 lub 1. Mając n kubitów możemy już otrzymać wszystkie 2n możliwych wartości. Na n kubitach możemy więc jednocześnie przechowywać wykładniczo więcej informacji niż w przypadku n bitów. Poza tym kubity można splatać np. przy pomocy bramki CNOT, która sprawia, że stan jednego z kubitów może determinować stan drugiego kubitu.

Dodatkowo, losowość występująca w obliczeniach kwantowych jest naturalną losowością wynikającą z praw mechaniki kwantowej – nie jest generowane poprzez generatory liczb pseudolosowych. Dzięki temu na komputerach kwantowych pewne obliczenia można będzie potencjalnie wykonywać efektywniej niż w przypadku komputerów klasycznych. Naukowcy spodziewają się, że informatyka kwantowa może znaleźć zastosowanie m.in. do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych (które powszechnie występują np. w logistyce, finansach, energetyce, czy sztucznej inteligencji) lub symulacji reakcji chemicznych (co może mieć zastosowanie np. do produkcji nowych materiałów, lekarstw itp.). Dlatego też informatyka kwantowa może przynieść w przyszłości wiele korzyści, również dla Przemysłu 4.0.

Budowanie przewagi technologicznej i zaangażowanie branży motoryzacyjnej

Według BMW informatyka kwantowa to jedna z najbardziej obiecujących technologii przyszłości w sektorze motoryzacyjnym. Ma ogromny potencjał w zakresie nauk o materiałach, złożonej optymalizacji i problemów AI. Firma Pasqal, zajmująca się systemami obliczeń kwantowych i oprogramowaniem, ogłosiła w maju 2022 roku wykorzystanie przez BMW opracowanego przez nich algorytmu rozwiązywania równań różniczkowych do przetestowania możliwości zastosowania obliczeń kwantowych w modelowaniu formowania metalu. BMW eksperymentuje z systemami Pasqal, aby zredukować czas poświęcany na budowanie i testowanie fizycznych modeli metalowych komponentów, które często muszą być drobiazgowo poprawiane po testach, aby osiągnąć wyniki pożądane przez projektantów i inżynierów.

Hyundai nawiązał współpracę z IonQ, firmą zajmującą się obliczeniami kwantowymi, w ramach projektu mającego na celu zastosowanie kwantowego uczenia maszynowego do klasyfikacji obrazów i wykrywania obiektów 3D w przyszłych pojazdach. Ma to związek z ogłoszonymi w kwietniu 2022 roku planami zwiększenia zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) na pokładzie pojazdów.

Firma Multiverse Computing zajmująca się obliczeniami kwantowymi ogłosiła z kolei w lipcu 2022 projekt badawczy realizowany we współpracy z zakładem Bosch Automotive Electronics w Madrycie, którego celem jest wykorzystanie mocy obliczeń kwantowych w cyfrowym bliźniaku fabryki. Rozwiązanie zaproponowane przez Multiverse będzie wykorzystywać dane do oceny wydajności poszczególnych urządzeń, jak również procesów produkcyjnych w celu zwiększenia poziomu jakości i poprawy ogólnej wydajności, w tym zarządzania energią i odpadami.

Są to jedynie przykłady z ostatnich kilku miesięcy, które wykraczają poza motoryzacyjną ciekawostkę i pokazują, że inwestycje i nowe partnerstwa dużych motoryzacyjnych graczy są częścią ich długofalowej strategii.

Technologie kwantowe korzystające z prac mechaniki kwantowej rozwijają się obecnie bardzo dynamicznie i pojawiają się również w Polsce pierwsze pilotażowe wdrożenia, np. w obszarze komunikacji kwantowej przy pomocy kwantowej dystrybucji klucza. Trwają również intensywne prace badawcze dotyczące m.in. budowy komputerów kwantowych, podstaw teoretycznych obliczeń kwantowych czy też algorytmów, które mogłyby sprawić, że w przyszłości komputery kwantowe okażą się być lepsze niż komputery klasyczne i pomogą rozwiązać wiele problemów obliczeniowych, które obecnie są uważane za trudne dla współczesnych maszyn.

Możliwe zagrożenia

Informatyka kwantowa może jednak przynieść również pewne zagrożenia, takie jak możliwość szybkiego rozwiązywania trudnych problemów matematycznych (np. rozkładu dużych liczb złożonych na czynniki pierwsze), które są podstawą niektórych dzisiejszych metod szyfrowania.

McKinsey zachęca już teraz do analizy ryzyka liderów zarządzania cyberbezpieczeństwem i ryzykami. Niezależnie od tego jak szybko technologia się rozwinie, firmy odpowiedzialne za cyberbezpieczeństwo muszą zacząć dzisiaj uwzględniać rozwój komputerów kwantowych w swoich mapach drogowych. Samochód opracowywany dzisiaj i wymieniający dane prawdopodobnie nadal będzie jeździł po drodze po 2040 roku. Niektóre dane wytwarzane obecnie, takie jak tajne dane rządowe, informacje zdrowotne lub tajemnice handlowe, będą nadal posiadały wartość, gdy odpowiednio potężne komputery kwantowe staną się dostępne. Wszelkie długoterminowe dane przesyłane obecnie kanałami publicznymi będą zagrożone przechwyceniem i przyszłym rozszyfrowaniem.

Warto zdawać sobie więc sprawę zarówno z możliwych korzyści wynikających z informatyki kwantowej, jak i z możliwych zagrożeń – wiedzieć jak skorzystać z możliwości tej nowej technologii, jak i zapobiegać możliwym problemom z niej wynikającym. Dlatego tak ważne jest kształcenie kompetentnych kadr w obszarze informatyki kwantowej.

Przygotowanie przyszłej kadry

Wraz z rozwojem ekosystemu technologii kwantowych rośnie zapotrzebowanie na ekspertów w tej dziedzinie. Badania McKinsey wykazały, że luka talentów powiększa się już na wczesnym etapie rozwoju tej technologii. Kiedy badacze porównali aktywne oferty pracy dla ekspertów w dziedzinie obliczeń kwantowych z liczbą absolwentów gotowych do obsadzenia tych stanowisk każdego roku, popyt trzykrotnie przewyższył liczbę absolwentów.

Nie dziwi więc coraz większe zainteresowanie technologiami kwantowymi, w tym informatyką kwantową, ze strony naukowców, studentów, programistów i przedsiębiorców. Powstają również inicjatywy mające na celu wsparcie tworzącego się właśnie ekosystemu informatyki kwantowej. Jedną z takich inicjatyw jest QWorld – jej celem jest “demokratyzacja informatyki kwantowej” – stworzenie otwartego, globalnego ekosystemu informatyki kwantowej.

QWorld, formalnie będący organizacją non-profit (QWorld Association) zarejestrowaną w Estonii, realizuje swój cel poprzez organizację wydarzeń edukacyjnych i naukowych dotyczących informatyki kwantowej, przyczyniając się do kształcenia kompetentnych kadr w tym obszarze. Są to w szczególności warsztaty z programowania komputerów kwantowych na poziomie podstawowym (QBronze) oraz zaawansowanym (QSilver, QNickel), ale również wykłady (QWebinar, QTalk), konferencje (np. Quantum Science Days) oraz programy badawcze, np. program QIntern, w ramach którego studenci z całego świata mogą realizować projekty badawcze pod okiem doświadczonych naukowców. W ramach prowadzonych warsztatów przyznano już kilka tysięcy certyfikatów dla uczestników, którzy uzyskali dostatecznie dobre wyniki w testach sprawdzających wiedzę zdobytą po warsztatach.

W samą organizację QWorld zaangażowanych jest kilkadziesiąt osób z wielu krajów, a za organizację warsztatów odpowiadają lokalne grupy w danym kraju, tzw. “Kwantowi kuzyni” (QCousins). Przedstawiciele Polski byli w gronie założycieli QWorld w 2019 roku, a polski “kwantowy kuzyn”, QPoland, do dziś jest jedną z najaktywniejszych lokalnych grup. W pięciu zorganizowanych dotychczas warsztatach przyznała łącznie 280 certyfikatów. Obecnie organizowany jest szósty warsztat z programowania komputerów kwantowych, który odbędzie się w trybie zdalnym w dniach 10-11 i 17-18 września. Tym razem będzie on odbywał się w języku polskim i będzie przeznaczony dla osób w wieku 14-24 lata.

Od strony formalnej grupa QPoland wspierana jest przez Fundację Quantum AI, polską organizację non-profit, której statutowym celem jest wspieranie edukacji, badań i współpracy w obszarze nowych technologii, przede wszystkim informatyki kwantowej i sztucznej inteligencji. Poza warsztatami QPoland, Fundacja organizuje również meetupy Warsaw Quantum Computing Group, a także wspiera organizację Washington Quantum Computing Meetup. Wspólnie z QPoland Fundacja współorganizuje z kolei konkurs na popularyzację informatyki kwantowej, “Informatyka kwantowa dla każdego”, konferencję dotyczącą kwantowego uczenia maszynowego, a także hackathon dotyczący tworzenia kwantowych gier. Już niebawem, w dniach 24.09-02.10, odbędzie się kolejna edycja tego hackathonu, po raz kolejny będą mogli w nim wziąć udział programiści i entuzjaści informatyki kwantowej z całego świata.

Autorzy: Paweł Gora, Łukasz Przewoźnik

Źródło zdjęć: IBM, Hyundai, Dreamstime