Jesteśmy świadkami narodzin kwantowego internetu. Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykonali przełomowy krok w rozwoju obliczeń kwantowych. Po raz pierwszy udało się im połączyć dwa oddzielne procesory kwantowe, tworząc jeden w pełni zsynchronizowany komputer. To osiągnięcie otwiera drzwi do przyszłości, w której komputery kwantowe będą dużo potężniejsze niż obecne superkomputery.
20250216 AD.

Jak to możliwe?
 Kluczową rolę odegrała kwantowa teleportacja, czyli proces przenoszenia informacji kwantowej między oddzielnymi procesorami. Jest to pierwszy przypadek w dziejach rozproszonego przetwarzania kwantowego. Naukowcy, korzystając z interfejsu sieci fotonicznej, pomyślnie połączyli dwa oddzielne procesory kwantowe, tworząc pojedynczy, w pełni połączony komputer kwantowy.

Wykorzystanie splątanych stanów kwantowych pozwoliło na synchronizację dwóch komputerów i wykonanie wspólnego obliczenia.

Rozwiązuje to problem „skalowalności” kwantowej: komputer kwantowy wystarczająco mocny, aby zrewolucjonizować przemysł, musiałby być w stanie przetworzyć miliony kubitów. Jednak umieszczenie wszystkich tych procesorów w jednym urządzeniu wymagałoby maszyny o ogromnych rozmiarach.

Dzięki nowemu podejściu małe urządzenia kwantowe są ze sobą połączone, co umożliwia dystrybucję obliczeń w całej sieci. Teoretycznie nie ma ograniczeń co do liczby procesorów, które mogą znajdować się w sieci. Wyniki badań opublikowane zostały w czasopiśmie Nature.

Czym jest splątanie kwantowe?
W tym miejscu musimy lekko zwolnić, żeby wyjaśnić, czym jest splątanie kwantowe i teleportacja kwantowa. Splątanie kwantowe to stan, w którym dwie cząstki, takie jak para fotonów, pozostają skorelowane, nawet gdy są rozdzielone przez ogromne odległości. Pozwala im to dzielić się informacjami bez konieczności fizycznego przemieszczania się.

W bardzo, ale to bardzo uproszczonym przykładzie wyobraźmy sobie rozdzieloną parę rękawiczek. Jedna znajduje się w USA, druga w Europie. Jeśli spojrzymy na europejską rękawiczkę, która będzie dajmy na to lewą, momentalnie wiemy, że ta amerykańska rękawiczka jest prawą, mimo że obie dzieli ogromna odległość. Tak działa mniej więcej splatanie kwantowe.

Teleportacja kwantowa jest więc niczym innym jak przesyłaniem informacji kwantowej na duże odległości niemal natychmiast, z wykorzystaniem splątania.

Przełom w obliczeniach kwantowych
Skalowalna architektura kwantowa opiera się na modułach, w których każdy zawiera tylko niewielką liczbę kubitów uwięzionych jonów (nośników informacji kwantowej w skali atomowej). Są one połączone ze sobą za pomocą włókien optycznych i wykorzystują światło (fotony) zamiast sygnałów elektrycznych do przesyłania danych między nimi.

Łącza fotoniczne umożliwiają splątanie kubitów w oddzielnych modułach, co pozwala na wykonywanie logiki kwantowej w modułach za pomocą teleportacji kwantowej.

Więcej o komputerach kwantowych i fizyce kwantowej przeczytasz na Spider’s Web:


Dwa komputery kwantowe połączone w jeden
Chociaż kwantowa teleportacja została osiągnięta już wcześniej, to nowe badanie jest pierwszą demonstracją kwantowej teleportacji bram logicznych (minimalnych składników algorytmu) przez łącze sieciowe. Według badaczy może to stanowić podstawę przyszłego „internetu kwantowego”, w którym odległe procesory mogłyby tworzyć ultrabezpieczną sieć do komunikacji i obliczeń.

Poprzednie demonstracje teleportacji kwantowej skupiały się na przenoszeniu stanów kwantowych między fizycznie oddzielonymi systemami. W naszym badaniu wykorzystujemy teleportację kwantową do tworzenia interakcji między tymi odległymi systemami. Poprzez staranne dostosowywanie tych interakcji możemy wykonywać logiczne bramki kwantowe, podstawowe operacje obliczeń kwantowych, między kubitami umieszczonymi w oddzielnych komputerach kwantowych – mówi kierownik badań Dougal Main, z Wydziału Fizyki na Uniwersytetcie Oksfordzkim.

To przełomowe odkrycie umożliwia skuteczne łączenie odrębnych procesorów kwantowych w jeden, w pełni połączony komputer kwantowy.

Koncepcja jest podobna do sposobu działania tradycyjnych superkomputerów. Składają się one z mniejszych komputerów połączonych ze sobą w celu osiągnięcia możliwości większych niż każdej oddzielnej jednostki.

Ta strategia omija wiele przeszkód inżynieryjnych związanych z pakowaniem coraz większej liczby kubitów w jedno urządzenie, jednocześnie zachowując delikatne właściwości kwantowe potrzebne do dokładnych i solidnych obliczeń.

Naukowcy zademonstrowali skuteczność tej metody, wykonując algorytm wyszukiwania Grovera. Ta kwantowa metoda wyszukuje konkretny element w dużym, niestrukturyzowanym zestawie danych znacznie szybciej niż zwykły komputer, wykorzystując kwantowe zjawiska superpozycji i splątania do eksplorowania wielu możliwości równolegle.

Kwantowa rewolucja już się zaczęła
Podczas gdy klasyczne komputery bazują na zerach i jedynkach, komputery kwantowe wykorzystują zjawiska mechaniki kwantowej, które pozwalają im wykonywać niektóre obliczenia miliardy razy szybciej. Firmy takie jak Google, IBM i Amazon już dziś inwestują miliardy dolarów w rozwój tej technologii, ale dotychczasowym problemem była trudność w skalowaniu systemów.

Badania z Oksfordu pokazują, że przyszłość obliczeń kwantowych nie leży w pojedynczych, gigantycznych komputerach, ale w ich połączeniu w rozproszoną sieć.

To może być punkt zwrotny w takich dziedzinach jak kryptografia, sztuczna inteligencja czy rozwój materiałów przyszłości.

Prace zespołu z Oksfordu udowadniają, że era kwantowych sieci obliczeniowych jest bliżej, niż się wydaje. A to dopiero początek wielkiej rewolucji, która może zmienić oblicze technologii na zawsze.

Głowna ilustracja: Dougal Main i Beth Nichol pracują nad rozproszonym komputerem kwantowym. Zdjęcie: John Cairns.