Prof. dr hab. inż. Wojciech Bożejko, kierownik Katedry Automatyki i Obliczeń Kwantowych na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji Politechniki Wrocławskiej, w swojej pracy badawczej koncentruje się na zagadnieniach optymalizacji kwantowej, sterowania procesami oraz łączenia systemów obliczeniowych z algorytmami sztucznej inteligencji.

PAP: Na Politechnice Wrocławskiej w kierowanej przez Pana katedrze działa komputer kwantowy ODRA-5. Jak programuje się komputer kwantowy?

W.B.: Programowanie komputerów kwantowych przypomina programowanie pierwszych komputerów z lat 40. zeszłego wieku, tworzonych przy projekcie Manhattan – jak ENIAC czy MANIAC. To były wielkie maszyny, które wyglądały jak łącznice telefoniczne z gąszczem kabelków. Programowanie komputerów kwantowych wygląda dzisiaj podobnie siermiężnie, jak programowanie tamtych maszyn.

PAP: Najbardziej zaawansowane maszyny na świecie są siermiężne? Zaskakuje mnie Pan. A czy trzeba ręcznie przepinać jakieś kabelki, żeby maszyna zajęła się nowym zadaniem?

W.B.: Aż tak to nie. Natomiast sterowanie komputerem odbywa się za pomocą impulsów mikrofalowych dostarczanych przez falowody. Te impulsy trzeba odpowiednio wygenerować wpisując rozkazy ręcznie, by skonstruować obwód kwantowy. Przypomina to programowanie w kodzie maszynowym albo w assemblerze.

W klasycznej informatyce era takiego programowania minęła co najmniej 30 lat temu, bo używamy dziś języków wysokiego poziomu. A dla komputerów kwantowych takich języków programowania jeszcze nie ma.

PAP: A jak jest z algorytmami, czyli zestawami instrukcji, co procesor ma robić krok po kroku, żeby jedną informację przekształcić w inną?

W.B.: Mamy na razie bardzo mało algorytmów kwantowych. Żeby wymyślić nowe algorytmy, potrzeba czasu. I pomysłu. Tutaj nie pomoże nam sztuczna inteligencja, bo ona w dużym stopniu powiela to, co już zna. Najpopularniejsze z algorytmów kwantowych – jak algorytm Shora czy Grovera – powstały, kiedy nie było jeszcze nawet maszyn kwantowych. Do dzisiaj zaś kolejnych algorytmów powstało zaledwie kilkanaście, może kilkadziesiąt plus wariacje na ich temat.

PAP: Dla porównania - ilu różnych algorytmów używamy w tradycyjnych komputerach?

W.B.: W klasycznej informatyce powstały grube miliony algorytmów, np. do sortowania, wyszukiwania, wyznaczania ścieżek. Rocznie powstaje kilkaset tysięcy publikacji naukowych z nowymi algorytmami.

W komputerach kwantowych sytuacja jest zaś trudniejsza. Komputer kwantowy związany jest z ideą kwantowego bitu - kubitu, jednostki informacji, która może być w stanie superpozycji – czyli może być trochę zerem i trochę jedynką jednocześnie. Struktury używane w informatyce kwantowej to czysta matematyka, tzw. macierze. Są eleganckie teoretycznie, ale nie mamy do nich intuicji.

Jeśli w klasycznej informatyce mamy losowo rozrzucone książki i chcemy je posortować, mamy na to tysiące algorytmów. A dla maszyn kwantowych pomysł na sortowanie, póki co jest jeden: algorytm Grovera, który służy do wyszukiwania klucza w bazie. Działa to na zasadzie: znajdźmy książkę na literę A, potem na B, C, D…

PAP: Pewnie istnieją bardziej wyrafinowane sposoby…

W.B.: Wszystko, co się dzieje dzisiaj w informatyce kwantowej, przypomina zabawę dziecka, które nie rozumie jeszcze mechanizmu, a chce go koniecznie wykorzystać. Problem polega na tym, że nie mamy nauczyciela, który pomoże nam to szybciej zrozumieć. Rozpoznajemy teren metodą prób i błędów. Nauka tego nowego obszaru informatyki zajmie nam pewnie z 20 lat.

PAP: Czy komputery kwantowe mogą korzystać chociaż z części klasycznych algorytmów?

W.B.: Nie, w ogóle nie mogą. To zupełnie inne maszyny. Jedyne, co jesteśmy w stanie robić, to podejścia hybrydowe. Łączymy komputer kwantowy z superkomputerem i zlecamy maszynie kwantowej zadania, w których jest dobra – na przykład znajdowanie stanu o minimalnej energii układu - w tym szczególnie dobre są tzw. wyżarzacze kwantowe. Komputer kwantowy pełni tu rolę koprocesora lub akceleratora: robi swoją robotę i oddaje wynik normalnemu komputerowi. Ten przetwarza dane po swojemu i oddaje kwantowemu do ponownego przeliczenia.

Taki ping-pong to rozwiązanie na dzisiejsze czasy. Tak jak z samochodami: może i byśmy chcieli przejść na samochody elektryczne, ale mają krótki zasięg, ładowanie ich w trasie jest uciążliwe i długie, więc kończy się na hybrydach. Podobnie komputery kwantowe są jeszcze za słabe, by unieść masywne obliczenia. A nawet gdyby były większe, nie ma dla nich programów.

PAP: Ile kubitów mają dzisiejsze najlepsze komputery kwantowe?

W.B.: Maszyny ogólnego zastosowania mają dziś maksymalnie około 400 kubitów. Przy większej liczbie kubitów stopień zaszumienia staje się zbyt duży. Z kolei wyżarzacze kwantowe mają tych kubitów ponad 5600, ale to kubity nieprzystosowane do wykonywania bramek kwantowych. Na te maszyny jest jednak realne zapotrzebowanie komercyjne. Państwa i firmy inwestują wiele milionów euro w pojedyncze maszyny wierząc, że technologia w końcu „odpali” i chcą być gotowe na Q-Day.

PAP: Co to jest Q-Day?

W.B.: W wersji optymistycznej Q-Day to dzień, w którym zostanie bezwzględnie udowodniona supremacja kwantowa – komputery kwantowe będą liczyć lepiej niż jakiekolwiek klasyczne maszyny i nie będzie się dało ich pracy symulować na klasycznych komputerach.

Jednak bardziej powszechne znaczenie tego terminu to moment, w którym komputery kwantowe złamią stosowane dziś powszechnie szyfry w bankowości elektronicznej czy w komunikatorach. Wspomniany algorytm Shora służący do rozkładu liczby na czynniki pierwsze (faktoryzacji) jest w stanie rozwiązać to zadanie na odpowiednio dużym komputerze kwantowym błyskawicznie.

Aby złamać powszechnie stosowane klucze o długości 2048 bitów, szacuje się, że potrzeba około 10 000 kubitów.

Komputery kwantowe, które będą w stanie łamać zabezpieczenia, może niekoniecznie będą od razu służyły do włamywania się na konta bankowe. Ale pewnie znajdą się chętni do rozszyfrowania Bitcoinów z pierwszych wydań protokołów, które miały krótkie, 256-bitowe klucze. Również agencje wojskowe tylko czekają na Q-day, skrzętnie zbierając cenne zaszyfrowane informacje, by móc je wtedy odczytać. To będzie ciekawy moment.

PAP: Czego nam jeszcze brakuje, żeby ten Q-Day nastąpił? Potrzebujemy nowych teorii naukowych? Czy to raczej kwestia inżynierii?

W.B.: Problem jest w zasadzie czysto inżynierski. Jeśli chodzi o teorię, to wiemy, jak będą działać takie potężne komputery. Kwestią jest zbudowanie ich w odpowiedniej skali. Niedawno zespół z Caltechu opublikował w prestiżowym czasopiśmie „Nature” artykuł o prototypie posiadającym 6100 kubitów. Ta skala jest już niebezpiecznie blisko wartości potrzebnych do łamania szyfrów. Standardy uważane przez dekady za bezpieczne, właśnie przestają takie być.

Dlatego teraz świetnie sprzedaje się termin post-quantum cryptography (kryptografia postkwantowa). To hasło marketingowe, sugerujące, że firmy już mają gotowe zabezpieczenia. Tu tkwi pułapka. Kryptografia postkwantowa zakłada, że wiemy, czego komputer kwantowy nie potrafi zrobić. A tego tak naprawdę nie wiemy. Precyzyjnie rzecz ujmując: mamy metody, dla których dzisiaj nie ma znanych algorytmów kwantowych zdolnych je złamać. Dla przedstawiciela handlowego to wystarcza, żeby sprzedawać produkt. Ale kto wie, może takie algorytmy pojawią się jutro. Bo my, naukowcy, siedzimy przed tablicami i kombinujemy, jak znaleźć te nowe algorytmy. Kryptografia postkwantowa zbija jednak w międzyczasie spore fortuny, sprzedając podejście, które jest, delikatnie mówiąc, naciągane.

PAP: A jak spisuje się 5-bitowy komputer kwantowy, który działa u Państwa na Politechnice Wrocławskiej?

W.B.: Mamy tam pięć kubitów, więc nie jest to zasób do liczenia potężnych modeli. Traktujemy go jako narzędzie dydaktyczne i naukowe. Od marca przyszłego roku otwieramy nowy kierunek studiów „Informatyka kwantowa” na drugim stopniu studiów, więc studenci będą mogli pracować na realnej maszynie. Na kartce papieru wszystko zawsze działa idealnie, ale cechą politechniki jest to, że teoria jest weryfikowalna w praktyce - kod ma zadziałać na realnym sprzęcie.

A jeśli chodzi o działanie - komputer kwantowy o dziwo spisuje się znakomicie. Spodziewałem się, że prototyp , którym jest dziś każdy egzemplarz maszyny kwantowej - będzie się psuł, ma w końcu wiele elementów stricte mechanicznych, takich jak np. pompa próżniowa czy układ chłodzenia oparty na helu-3. Tymczasem nasz działa bezawaryjnie od maja zeszłego roku.

PAP: Zbliżając się do podsumowania – jaką myśl chciałby Pan zasiać w głowach ludzi, którzy będą czytać o komputerach kwantowych?

W.B.: To technologia informatyczna zupełnie nowa, raczkująca i wymagająca gigantycznych nakładów sił oraz cierpliwości. Żyjemy w świecie mocno skomercjalizowanym, gdzie wszystko przelicza się na pieniądze i oczekuje natychmiastowego zwrotu z inwestycji. W przypadku kwantów musimy powiedzieć: poczekajcie, to na was zarobi, ale teraz musimy w to zainwestować. Q-Day nie nadejdzie za rok. To perspektywa 10 lat, ale potem przyspieszenie będzie lawinowe.

Naukowcy nie są od natychmiastowego obracania teorii w pieniądze. W historii ludzkości technologie rozwijały się falami, by na końcu wystrzelić. Musimy jako społeczeństwo zrozumieć hasło „3 proc. PKB na naukę”. Bez fizycznych komputerów kwantowych w kraju nie zrobimy postępu. Na kartce wszystko działa, ale musimy to testować w praktyce na rzeczywistych urządzeniach. Spójrzmy na Finlandię – mały kraj, który potrafił wyrosnąć na potęgę w telekomunikacji dzięki Nokii, a teraz ma IQM, czołową firmę kwantową, bo tam postawiono na ten priorytet.

Również i my jesteśmy w stanie stworzyć tutaj naszą Dolinę Krzemową, ale musimy dać jej szansę urosnąć. Pociąg właśnie odjeżdża. W kwestii samochodów elektrycznych rynek nam niestety już uciekł, ale w programowaniu kwantowym wciąż możemy startować z tego samego poziomu, co reszta świata. To ostatni moment, żeby wsiąść do wagonu.

Rozmawiała Ludwika Tomala (PAP)

lt/ agt/ bar/