W nauce właśnie dokonano odkrycia, które może znacząco wpłynąć na przyszłość komputerów kwantowych. Po raz pierwszy fizykom udało się przekształcić procesor kwantowy w stan materii zwany kryształem czasu, który charakteryzuje się unikalną dla tego stanu oscylacją. Czym są kryształy czasu i jakie możliwości otwierają dla przyszłości obliczeń? Weźmy to dziś na tapet — zapraszam, bo naprawdę warto.
Kryształy czasu: co to właściwie jest?
Kryształy czasu (kryształy czasoprzestrzenne) to fascynujące struktury fizyczne, które wykazują regularne oscylacje w czasie, zachowując swój najniższy stan energetyczny. To trochę jak huśtawka, która porusza się w swoim regularnym rytmie, ale nie da się stwierdzić, aby była przez cokolwiek „popychana” z zewnątrz. Idea kryształów czasu została zaproponowana w 2012 roku przez Franka Wilczka, laureata Nagrody Nobla, i początkowo wywołała spore kontrowersje.
Dziś jednak jej praktyczne zastosowania znajdują potwierdzenie w licznych eksperymentach. Postuluje się ich przydatność w zakresie m.in. badania czarnych dziur czy też tworzenia zegarów o niespotykanej dotąd dokładności (większej, niż w przypadku zegarów atomowych).
W czym sprawdzą się komputery kwantowe i co mogą im dać kryształy czasu?
Komputery kwantowe od dawna wskazuje się jako rewolucję w wielu dziedzinach: z ich dobrodziejstw mogą skorzystać: farmakologia, meteorologia czy ogółem fizyka — przede wszystkim jednak wsparta zostanie informatyka. W rozwoju tej technologii pojawia się jednak poważny problem – podatność na błędy, które mogą zakłócać działanie skomplikowanych układów.
Komputery kwantowe to sprzęty, których nie można nijak porównać swoją charakterystyką do komputerów, z których korzystamy tu i teraz: bardziej przypominają one skomplikowane, niezwykle czułe narzędzia w sterylnym, drogim w budowie laboratorium, niż peceta, laptopa, konsolę, czy smartfona. Kryształy czasu, zwłaszcza w formie topologicznej, oferują rozwiązanie problemu błędów: minimalizują zakłócenia i wspierają stabilność systemu.
Sprawdź również: Ważny eksperyment dla komunikacji kwantowej. Sprawdź, czy się udało
Jak działają kryształy czasu w komputerach kwantowych?
Podstawą działania komputerów kwantowych są kubity, które w odróżnieniu od klasycznych bitów mogą jednocześnie przyjmować stan 0 i 1. To zaś nazywamy superpozycją. Dodatkowo kubity mogą być splątane, co pozwala na bardziej efektywne przetwarzanie danych i jest znaczącą przewagą komputerów kwantowych w pewnych zastosowaniach. Niestety, splątanie kubitów z otoczeniem prowadzi do zakłóceń i błędów, co ogranicza skalowalność technologii.
Komputery kwantowe przewyższają klasyczne w rozwiązywaniu problemów optymalizacyjnych, symulacjach chemicznych i fizycznych oraz w kryptografii. Dzięki superpozycji kubity mogą analizować wiele rozwiązań jednocześnie, co przyspiesza m.in. modelowanie molekularne. Splątanie pozwala na wzajemne powiązanie kubitów, co zwiększa precyzję i stabilność systemu, na przykład w bezpiecznym przesyłaniu danych. To czyni komputery kwantowe niezwykle efektywnymi w analizie dużych zbiorów danych czy rozwiązywaniu złożonych algorytmów, jak te stosowane w kontekście sztucznej inteligencji.
Niestety, komputery kwantowe nie znajdują zastosowania w codziennych zadaniach: klasyczne komputery pozostają niezastąpione w przeglądaniu sieci, edycji plików graficznych i tekstowych oraz innych, „bardziej przyziemnych” rzeczach. Proste obliczenia matematyczne oraz działania wymagające przede wszystkim wysokiej stabilności i niskich kosztów obliczeń nadal leżą w gestii tradycyjnych maszyn i te najprawdopodobniej w osiągalnej dla nas przyszłości nie zostaną zastąpione przez odpowiedniki oparte na zjawiskach kwantowych. Komputerów kwantowych nie można więc postrzegać w roli sukcesorów m.in. pecetów, gdyż wciąż zmagają się one z problemami związanymi z błędami i zakłóceniami, co ogranicza ich praktyczność w niektórych obszarach. Aczkolwiek trzeba uczciwie przyznać, że kwantowe maszyny są niesamowicie ważne dla rozwoju nauki i technologii. Być może, gdy rozwiążemy wszystkie najważniejsze problemy komputerów kwantowych, będzie można pomyśleć o rozszerzeniu ich zastosowań. Cena, uniwersalność i niezawodność przemawiają na razie za starymi, dobrymi komputerami opartymi na standardowych zerach i jedynkach.
Wróćmy jednak do kryształów czasu. Te dzięki uporządkowanej oscylacji — nawet w obecności zakłóceń z zewnątrz — mogą pomóc w utrzymaniu stabilności układów kwantowych. W szczególności topologiczne kryształy czasu (których oscylacje są uporządkowane w odniesieniu do czasu) wykazują takowe właściwości, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla obliczeń kwantowych.
Praktyczne zastosowania i przyszłość technologii
Zastosowanie kryształów czasu w komputerach kwantowych może solidnie wesprzeć m.in. takie dziedziny, jak: symulacje molekularne, optymalizacja czy analiza dużych zbiorów danych. W niedawnym eksperymencie zespół naukowców z Chin i USA z powodzeniem zaprogramował procesor kwantowy jako stabilny układ nadprzewodzący, który zachowywał się dokładnie, jak kryształ czasu. Układ ten, nawet w obecności symulowanych zakłóceń, utrzymywał swoje właściwości oscylacyjne, co daje nadzieję na ograniczenie pojawiania się błędów w działaniu tych skomplikowanych systemów.
Sprawdź również: Znaczący postęp w teleportacji kwantowej. Jesteśmy w tym coraz lepsi
Nasza cywilizacja skorzysta na rozwoju technologii opartych na rozwiązaniach kwantowych
Wprowadzenie kryształów czasu do technologii kwantowej to duży przeskok na drodze do wytworzenia stabilnych i praktycznych komputerów kwantowych. Mamy szansę przyspieszyć rozwój nauki, wspierając rozwiązywanie problemów dotychczas nieosiągalnych dla klasycznych komputerów. Cały czas potrzebujemy jednak dalszych badań. Nie zapominajmy też o tym, że komputery kwantowe są kosmicznie wręcz drogie. To nie są maszyny, które można sobie „ot tak” postawić w domu za jedną, dwie lub trzy wypłaty i „popykać” na nich w CS-a. Zdecydowanie to tak nie działa.
Czy kryształy czasu są rozwiązaniem absolutnie wszystkich problemów komputerów kwantowych? Zdecydowanie nie, ale z pewnością przybliżają nas do momentu, w którym te maszyny staną się bardziej osiągalne, uniwersalne i przede wszystkim efektywne w swoich działaniach. Błędy wynikające z podatności na zakłócenia to spory problem nawet dla dużych ośrodków badawczych.
Kryształy czasu, których koncepcja pojawiła się stosunkowo niedawno, szturmem podbijają komputery kwantowe. Wiele wskazuje na to, że mogą stać się kluczowym elementem przyszłych układów kwantowych, przyspieszając rozwój nauki i technologii. Co prawda nie uruchomią najnowszych gier, nie zrenderują „na szybko” długiego filmu w 4K, ani nie połączą się ze stronami internetowymi, ale i tak będą dla nas niesamowicie ważne. Magia dzieje się dopiero wtedy, gdy zaczynami rozmyślać o ich zastosowaniach w nauce. Wtedy okazuje się, że tam, gdzie nie domagają zwykłe pecety, nie mają sobie równych. Właśnie dlatego powinniśmy cieszyć się z ich rozwoju.