Komputery kwantowe wyjaśnione: jak działają kubity i dlaczego to ma znaczenie teraz

Klasyczny komputer przechowuje informacje w bitach, które są albo 0, albo 1, jak przełącznik, który jest włączony lub wyłączony. Komputer kwantowy natomiast używa kubitów, które mogą reprezentować 0, 1 lub ważoną kombinację obu jednocześnie, zgodnie z oficjalnym objaśnieniem IBM na temat obliczeń kwantowych. Ta właściwość, zwana superpozycją, jest jednym z powodów, dla których maszyny kwantowe mogą badać wiele możliwych odpowiedzi na określone problemy jednocześnie, zamiast jeden po drugim.

Fizyka za maszyną

IBM identyfikuje cztery efekty mechaniki kwantowej, które umożliwiają obliczenia kwantowe: superpozycję, splątanie, interferencję i dekoherencję. Splątanie łączy kubity w taki sposób, że pomiar jednego ujawnia informacje o drugim, nawet gdy oba są fizycznie rozdzielone. Interferencja pozwala obwodowi kwantowemu wzmocnić prawidłowe odpowiedzi i wyeliminować błędne, w taki sam sposób, w jaki pokrywające się fale mogą się wzmacniać lub znosiać. Dekoherencja to efekt odwrotny — stany kwantowe zapadają w zwykłe klasyczne wartości — i jest główną przeszkodą, którą inżynierowie muszą tłumić, aby utrzymać przydatny procesor kwantowy, według IBM.

Kubity można zbudować z kilku systemów fizycznych, w tym obwodów nadprzewodzących chłodzonych do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, jonów uwięzionych, kropek kwantowych i fotonów. Własne procesory kwantowe IBM polegają na obwodach nadprzewodzących, ponieważ można je wytwarzać i kontrolować za pomocą istniejących technik produkcji mikroukładów, według IBM.

Weryfikowalny postęp: chip Willow od Google

22 października 2025 r. Google ogłosił, że jego 105-kubitowy procesor Willow uzyskał to, co firma nazwała pierwszą weryfikowalną przewagą kwantową, używając algorytmu, który nazwał Quantum Echoes, według oficjalnego bloga Google. Algorytm wysyła sygnał do zestawu kubitów, zaburza jeden z nich, a następnie odwraca ewolucję sygnału, aby nasłuchać wzmocnionego "echa" stworzonego przez konstruktywną interferencję.

Google poinformował, że Quantum Echoes uruchamiał się 13 000 razy szybciej na Willow niż najlepszy znany klasyczny algorytm uruchomiony na jednym z najszybszych superkomputerów na świecie. Firma podkreśliła, że w przeciwieństwie do swojego twierdzenia o supremacji kwantowej z 2019 r., wynik ten jest "weryfikowalny" — może być powtórzony na porównywalnym sprzęcie kwantowym i zweryfikowany, zamiast polegać na zadaniu próbkowania bez niezależnego sposobu potwierdzenia wyniku.

Pracując z badaczami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Google użył algorytmu do badania sygnałów jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) z cząsteczek zawierających 15 i 28 atomów, wskazując na możliwe przyszłe zastosowania w odkrywaniu leków, materiałach baterii i projektowaniu nowych kubitów, według tego samego ogłoszenia Google.

Ścieżka IBM od "użyteczności" do odporności na błędy

IBM rozróżnia kilka etapów postępu. Firma mówi, że osiągnęła "użyteczność kwantową" w 2023 r., co oznacza, że jej procesory kwantowe mogły przewyższyć klasyczne metody przybliżenia dla określonych zadań. IBM stwierdził, że oczekuje osiągnięcia "przewagi kwantowej" — przewyższenia wszystkich znanych metod klasycznych na praktycznym problemie — do końca 2026 r., zgodnie z własnym przeglądem IBM dotyczącym obliczeń kwantowych.

Poza tym IBM opublikował mapę drogową w kierunku tolerancyjnych na błędy obliczeń kwantowych, gdzie błędy są wykrywane i korygowane, zanim uszkodzą obliczenia. Mapa drogowa opisuje chip o nazwie Quantum Loon wydany w 2025 r. z dodaną łącznością kubitów dla eksperymentów proof-of-concept w kierunku kodów qLDPC o wysokim wskaźniku, moduł o nazwie Quantum Kookaburra planowany na 2026 r., który przechowuje informacje przy użyciu pamięci kwantowej o niskiej gęstości parzystości (qLDPC), oraz system o nazwie Starling ukierunkowany na 2029 r., który IBM mówi, powinien uruchamiać 100 milionów bramek kwantowych na 200 logicznych kubitach. Podejście IBM do korekcji błędów wykorzystuje to, co określa "dwuwymiarowe kody rowerów", w tym "kod brutto [[144,12,12]]", który firma mówi, wymaga około dziesięć razy mniej kubitów fizycznych niż wcześniejsze metody kodu powierzchniowego, aby osiągnąć taką samą ochronę przed błędami.

Dlaczego szyfrowanie jest już przepisywane

Komputery kwantowe mają znaczenie poza laboratorium ze względu na algorytm Shora, metodę matematyczną opublikowaną przez Petera Shora w 1994 r., pokazującą, że wystarczająco potężny komputer kwantowy mógłby rozkładać duże liczby na czynniki — i dlatego łamać powszechnie stosowane szyfrowanie w stylu RSA — znacznie szybciej niż jakikolwiek klasyczny komputer, jak zauważa przegląd IBM.

To ryzyko nie jest hipotetyczne dla organów standaryzacyjnych. 13 sierpnia 2024 r. Narodowy Instytut Stanów Zjednoczonych do Spraw Standardów i Technologii (NIST) sfinalizował swoje pierwsze trzy standardy szyfrowania postkwantowego: FIPS 203 (ML-KEM) do ogólnego szyfrowania oraz FIPS 204 (ML-DSA) i FIPS 205 (SLH-DSA) do podpisów cyfrowych, zgodnie z oficjalnym ogłoszeniem NIST. Matematyk NIST Dustin Moody powiedział, że organizacje powinny "natychmiast zacząć integrować je z ich systemami, ponieważ pełna integracja zajmie czas".

Czym komputery kwantowe nie są

Materiały IBM podkreślają, że komputery kwantowe nie są po prostu szybszymi wersjami zwykłych komputerów; są odpowiednie dla określonych klas problemów — takich jak symulacja cząsteczek, reakcje chemiczne i określone zadania optymalizacyjne lub uczenia maszynowego — gdzie liczba zmiennych oddziałujących na siebie staje się zbyt duża dla klasycznych komputerów do efektywnego śledzenia. W przypadku codziennych zadań, takich jak przetwarzanie tekstu lub przeglądanie Internetu, komputery klasyczne pozostają znacznie bardziej praktyczne.