Technologia kwantowa – czym jest i jakie branże zrewolucjonizuje?

Jak zrozumieć technologię, której moc jest tak wielka, że trudna nawet do oszacowania? Mechanika kwantowa pozostaje częściowo zagadką nawet dla wybitnych uczonych. Nie zmienia to faktu, że nad sposobami jej wykorzystania pracują rządy, największe korporacje oraz spółki technologiczne. Jaki jest potencjał komputerów kwantowych?

Mechanika kwantowa, której odkrycie datuje się na 1925 rok, ale stopniowo opisywana była już od przełomu XIX i XX wieku, wyjaśnia naturę i zachowanie energii oraz materii na poziomie elementarnym, czyli atomowym i subatomowym. Chodzi więc o podstawowy budulec całej materii. Dzięki tej teorii udało się zrozumieć m.in. czym są wiązania chemiczne. Teoria kwantowa dowodzi także, że ruch cząstek jest przypadkowy, a więc nieprzewidywalny. Dlatego też świat nie jest skonstruowany deterministycznie, co oznacza, że zjawiska w nim zachodzące są w dużej mierze dziełem przypadku, nie zaś uporządkowanym procesem przyczynowo - skutkowym.  

Owocem poznania teorii kwantowej był obserwowany w ostatnich dekadach dynamiczny postęp technologiczny – ustalenia fizyków pozwoliły na skonstruowanie światła laserowego, tranzystora czy rezonansu magnetycznego. Odkrycia tzw. pierwszej rewolucji kwantowej sprzed ok. 40 lat pozwoliły na wykorzystanie ogromnej mocy fal kwantowych do stworzenia mikro-rozwiązań, z których korzystamy codziennie. 

"Obecnie już za kilkanaście złotych w każdym kiosku możemy kupić (…) laser, czyli urządzenie do wytwarzania unikatowej w skali Wszechświata wiązki światła. Niewiele droższy jest pendrive (64 GB) pozwalający błyskawicznie i bezpiecznie zachować dane cyfrowe, do których przechowania zaledwie 30 lat temu potrzebowalibyśmy prawie 200 tysięcy dyskietek. To właśnie te umiejętności stały się podstawą transformacji teleinformatycznej społeczeństw i ostatecznie doprowadziły do przekształcenia naszej Planety w prawdziwą Globalną Wioskę, w której niewielkie znaczenie mają strefy czasowe, granice państwowe czy języki"

– wskazał w publikacji „Świat u progu Drugiej Rewolucji Kwantowej” Tomasz Sowiński z Instytutu Fizyki PAN.  

Jak działać będą superkomputery i kto nad nimi pracuje?

Jednym z głównych obszarów zainteresowań technologii kwantowej są obliczenia kwantowe. Ich dokonywać mają z kolei komputery kwantowe, które wykorzystują do swojego działania fakt, że w teorii kwantów cząstki (kubity) mają zdolność do znajdowania się w kilku stanach jednocześnie. Dzięki temu mogą one wykonywać zadania, używając jednocześnie kombinacji jedynek, zer oraz jedynki i zera.  

To m.in. komputery kwantowe mają stać się podstawą tzw. Drugiej Rewolucji Kwantowej, w przededniu której znajdujemy się według naukowców. Rządy wielu państw wydają coraz większe kwoty na badania w tym zakresie, aby należeć do grona pionierów rozwoju technologii kwantowych. Dla przykładu we Francji w tym roku rozpoczął się warty ok. 150 mln euro program Quantum Priority Research and Equipment Programme (PEPR), w ramach którego w marcu ogłoszono dziesięć wybranych do realizacji projektów. Cały budżet francuskich badań nad technologią kwantową sięga 2 miliardów euro. Nad rozwojem technologii kwantowych intensywnie pracują również inne państwa europejskie, w tym m.in. Dania, Finlandia, Szwecja, Austria czy Niemcy, a także Japonia, Indie, Izrael czy Rosja. Do państw wiodących prym w dziedzinie badań kwantowych zalicza się zaś Stany Zjednoczone, Kanadę i Chiny, z uwagi na to, że już pod koniec lat 90. zainwestowały potężne środki w rozwój badań kwantowych.   

Badania w tym zakresie prowadzone są także w Polsce. 

"Polska ma ogromny potencjał naukowy w dziedzinie mechaniki kwantowej jednak, aby odegrać ważną rolę w programie European Quantum Technologies Flagship, potrzebuje nowych placówek badawczych, skupiających się na technologiach kwantowych, dysponujących odpowiednimi funduszami, zdolnych zatrudnić najlepszych międzynarodowych specjalistów i szkolić nowe kadry na potrzeby nauki i przemysłu. Taką właśnie placówką jest Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych"

– wskazał prof. Marek Żukowski, dyrektor Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych ICTQT.  

Jakie obszary zrewolucjonizuje technologia kwantowa? 

Era komputerów kwantowych dopiero się zaczyna, ale już wiadomo, że będą one mogły rozwiązywać najbardziej skomplikowane problemy, które dla tradycyjnych komputerów byłyby bardzo trudne lub nawet niemożliwe do obliczenia. Tym samym będą mogły przejąć od człowieka zadania związane z tworzeniem symulacji czy optymalizacji procesów.  

W tym zakresie mechanizmy kwantowe mogą być zastosowane choćby w lotnictwie, gdzie w sytuacji kryzysowej, jak np. nagłe załamanie pogody, skoordynowania wymagają tysiące połączeń lotniczych w różnych częściach świata. Z tym obszarem związane jest także precyzyjne przewidywanie pogody, w którym również ogromną pomocą mogą być komputery kwantowe. Meteorologia jest oparta na symulacjach wielu zmiennych, dlatego szczegółowe prognozowanie zjawisk z większym wyprzedzeniem jest obecnie niezmiernie trudne. Dokładne przewidywanie pogody w dłuższej perspektywie czasowej, stanowiłoby znaczne ułatwienie nie tylko dla lotnictwa, ale również dla innych form transportu oraz dla rolnictwa, turystyki czy produkcji energii.    

Zupełnie odmienną branżą, którą komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować w przyszłości, są finanse – zarówno pod kątem błyskawicznej analizy setek danych, optymalizacji portfela inwestycyjnego i oceny ryzyka, jak również wykrywania oszustw. Podobny mechanizm działania może mieć zastosowanie w medycynie – praca nad nowym lekiem wiąże się z koniecznością przeprowadzenia symulacji działania wielu składników, a wprowadzenie go na rynek ze sprawdzeniem interakcji z innymi lekami. Dlatego też technologie kwantowe mogą znacznie przyspieszyć prace nad najnowocześniejszymi formami terapii.  

Jednym z najprężniej rozwijanych obszarów zastosowania technologii kwantowych jest cyberbezpieczeństwo. Dane przesyłane i szyfrowane za pomocą tej technologii mają gwarantowane bezpieczeństwo – złamanie zabezpieczeń kwantowych obecnie nie jest możliwe nawet przy użyciu innego komputera kwantowego.  

Od 2019 roku pod przewodnictwem Komisji Europejskiej realizowany jest program EuroQCI (European quantum communication infrastructure). Jego celem jest zbudowanie systemu ochrony wrażliwych danych i infrastruktury krytycznej poprzez integrację systemów kwantowych z istniejącą infrastrukturą komunikacyjną. Ma to wzmocnić ochronę europejskich instytucji rządowych, ich centrów danych, szpitali, sieci energetycznych itp., stając się jednym z głównych filarów nowej strategii bezpieczeństwa cybernetycznego UE. Realizacja programu ma potrwać do 2027 roku.

Zapoznaj się także z naszą mapą polskiego sektora cyberbezpieczeństwa!