Cząsteczka C11H5F5O2Fe działająca jako 7-kubitowy komputer kwantowy. Na rysunku ponumerowano atomy, których spiny pełnią funkcje poszczególnych kubitów.

Nasze komputery są coraz mniejsze i coraz szybsze. Miniaturyzacja, ma jednak granice, które wyznaczają zasady fizyki. Stąd pomysł aby zbudować maszynę na zupełnie innych zasadach, wykorzystującą efekty mechaniki kwantowej. Komputer kwantowy byłby szybszy, ale nie dlatego, że jest jeszcze mniejszy lecz mógłby działać wielotorowo, wykonując szereg zadań jednocześnie, w przeciwieństwie do komputerów klasycznych, które poprzez odpowiednie algorytmy jedynie symulują wykonywanie wielu zadań na raz. Możliwe jest to dzięki niezwykłym prawom rządzącym kwantowym światem, w którym jednocześnie mogą przebiegać całkowicie różne procesy.
Klasyczny bit (elementarna jednostka informacji) przyjmuje tylko jedną z dwóch wartości: zero albo jedynkę. W klasycznych komputerach zerom i jedynkom odpowiadają dwa z elementarnych układów tworzących mikroprocesor. Są to rozróżnialne napięcia na tranzystorach tworzących bramki logiczne wchodzące w skład układu scalonego. Proces obliczeniowy polega na manipulacji stanami tranzystorów, aby w ich wyniku otrzymać również zakodowaną w zero-jedynkowy sposób liczbę będącą wynikiem obliczeń.
W komputerze kwantowym dane nie są reprezentowane przez dwustanowe wartości napięcia na tranzystorach, ale stan kwantowy układu. Odpowiednikiem klasycznego bitu jest bit kwantowy, zwany qubitem (po polsku kubitem, taką nazwę będziemy dalej stosować). Dlatego też układ, który znajduje się w stanie kwantowym, jest swoistą kombinacją(superpozycją) klasycznego zera i jedynki. Mówiąc w przybliżeniu, kubit może być trochę jedynką i trochę zerem jednocześnie!

Czarna obudowa komputerów D-Wave o wymiarach 3x3x3 metry zawiera przede wszystkim wykorzystującą ciekły hel instalację chłodzącą procesor do temperatury bliskiej zera bezwzględnego

Fizycznie kubit (qubit) może być reprezentowany przez dowolny układ kwantowy o dwóch różnych stanach bazowych, na przykład polaryzacji fotonu, spinu elektronu lub atomu czy też dwóch poziomów energetycznych w atomie. Dokładniej elektron lub atom może mieć spin do dołu lub do góry, co możemy sobie wyobrażać klasycznie gdy rozpatrujemy te cząstki jako wirujące wokół swojej osi kulki, że może się kręcić w lewo lub prawo. Foton natomiast może mieć dwa różne stany polaryzacji prostopadłe do siebie, przykładowo pionową i poziomą. Do budowy komputera kwantowego można wykorzystać się następujące zjawiska: magnetyczny rezonans jądrowy (NRI), polaryzację światła, pułapki jonowe, nadprzewodzące złącza Josephsona, materiały nadprzewodzące, kropki kwantowe, kondensat Bosego- Einsteina, stany energetyczne elektronów na powłokach elektronowych, fulereny.
Kubit jest superpozycją zera i jedynki, co oznacza, że z pewnym prawdopodobieństwem znajduje się w stanie zero i z pewnym prawdopodobieństwem w stanie jeden, przy czym suma obu prawdopodobieństw daje stuprocentową pewność, że podczas pomiaru kubit przybierze którąś z dwóch możliwych wartości 0 lub 1. Jednak wynik obliczeń komputera kwantowego zawsze będzie niepewny. Należy więc wykonać całą serię obliczeń i dopiero średnia ich wartość z bardzo małym błędem określi prawidłowy wynik działania. Dodatkowo wynik ten będzie tym dokładniejszy, im więcej komputer wykona obliczeń.
Aby uświadomić różnice między ideą komputera klasycznego a kwantowego porównamy ich działanie. W komputerze klasycznym dwa bity mogą przechowywać naraz jedną z czterech możliwych wartości, natomiast dwa kubity przechowują nie jedną, a cztery wartości jednocześnie. 16 kubitów może przechowywać 256 wartości naraz, czyli przy każdym kubicie więcej jest dwa razy więcej możliwości. Daje to ogromną przewagę komputerów kwantowych, które mogą wykonywać wiele operacji naraz, podczas gdy komputer tradycyjny wykonuje szereg obliczeń po kolei, co zajmuje mu bardzo dużo czasu.

Układ chłodniczy, wykorzystujący suchą skraplarkę helu w obiegu zamkniętym, zastosowany do chłodzenia komputera kwantowego D-Wave. Układ może pracować samodzielnie przez dłuższy czas bez nadzoru człowieka.

Układ wielu kubitów tworzy rejestr kwantowy. Może on być reprezentowany jako jeden układ, złożony z wielu układów składowych. Dane zawarte w rejestrze kwantowym są następnie przetwarzane przez odpowiednio zaprogramowane układy kwantowych bramek logicznych tworząc tak zwane obwody kwantowe.
Aby zbudować komputer kwantowy trzeba przezwyciężyć szereg problemów. Pierwszym ograniczeniem jest fakt, że pomiar zmienia stan obiektu kwantowego, czyli w momencie odczytu wartości znika w kubicie superpozycja zera i jedynki, a co za tym idzie znika też wynik obliczeń. Problem rozwiązuje wykorzystanie zjawiska splątania kwantowego. Dzięki splątaniu można połączyć ze sobą dwa kubity w taki sposób, że drugi z nich jest kopią oryginału zawierającą te same informacje. W wielu przypadkach, na przykład dla stanu splątanego polaryzacji dwóch fotonów czy splątanych ze sobą dwóch spinów cząstek lub atomów, polaryzacje obu fotonów lub spiny cząstek są zawsze przeciwne do siebie. W tym wypadku oba kubity są w tak zwanej antykorelacji, a splątany kubit jest nie tyle kopią pierwszego, ile jego negacją i podczas pomiaru zamiast np. jedynki otrzymujemy zero.
Splątanie ze sobą kubitów oznacza, że podczas pomiaru niszczona jest superpozycja kopii, a nie oryginału i dzięki temu można poznać oryginalny stan kubitu bez zniszczenia. Co ciekawe, stan splątanego ze sobą układu kubitów jest też znacznie lepiej określony niż stan jego części, czyli pojedynczego kubitu. Dzięki temu można zmniejszyć liczbę wykonywanych przez komputer kwantowy operacji, czyli szybciej osiągnąć zakładane prawdopodobieństwo uzyskania wyniku. Niestety splątanie otrzymuje się dość trudno.
Drugim poważnym problemem jest zjawisko dekoherencji, czyli spontanicznej utraty informacji z kubitu poprzez nieuniknione oddziaływanie z otoczeniem. Co gorsza, kubity ulegają dekoherencji tym szybciej, im więcej jest ich w rejestrze kwantowym, a przecież od pojemności rejestru kwantowego zależą bezpośrednio możliwości obliczeniowe komputera kwantowego. Rejestry kwantowe muszą więc być całkowicie odizolowane od otoczenia. Kubity są bowiem niszczone między innymi przez zmiany temperatury otoczenia, promieniowanie,, światło czy zderzenia z cząsteczkami powietrza.

Schemat najprostszego obwodu opartego na złączu Josephsona realizującego kubit

Do działania komputera kwantowego potrzeba oprogramowania i algorytmów pozwalających przeprowadzić kwantowe obliczenia. Tworzenie algorytmów kwantowych jest trudne z kilku względów. Po pierwsze muszą one korzystać z efektów mechaniki kwantowej, takich jak superpozycja stanów czy zjawiska kwantowego splątania. Po drugie algorytmy kwantowe bazują na rozkładzie prawdopodobieństwa oraz zmianie tego prawdopodobieństwa w czasie. Otrzymane wyniki są też pewnym rozkładem prawdopodobieństwa. Najbardziej prawdopodobnym wynikiem to ten, dla którego otrzymaliśmy największą gęstość prawdopodobieństwa. Niestety pozostałe wyniki o mniejszej gęstości prawdopodobieństwa też mogą być prawidłowe i należy je uwzględnić.
Programowanie komputera kwantowego komplikuje też fakt, że może wykonywać ogromną liczbę obliczeń w sposób współbieżny, posługując się jednocześnie wieloma drogami obliczeń, a na wynik końcowy wpływają też po części rezultaty składowe na pozór niezwiązane bezpośrednio z realizowanym głównym algorytmem obliczeń. Dotychczas powstało kilkanaście algorytmów wykorzystujących efekty kwantowe. Najbardziej znanym jest stworzony w 1994 roku algorytm Shora, który rozkłada duże liczby na liczby pierwsze. Algorytm ten stanowi teoretyczne zagrożenie dla powszechnie używanego w Internecie kryptosystemu RSA, czyli stosowanego powszechnie sytemu do szyfrowania przesyłanych danych jak i do podpisów cyfrowych.. Klucz publiczny w RSA jest iloczynem dwóch dużych liczb pierwszych. Możliwość efektywnego odtworzenia tych liczb na podstawie klucza publicznego pozwalałaby poznać klucz prywatny i tym samym złamać cały szyfr. Komputerom klasycznym taki rozkład zajął by kilkanaście albo nawet kilkadziesiąt lat.

Podstawą działania kwantowego procesora firmy D-Wave są dwa sprzężone czujniki pola magnetycznego bazujące na złączach Josephsona. Strzałki reprezentują spin odpowiadający stanowi kubitu.

Innymi ciekawymi ze względu na zastosowania algorytmami są algorytm Grovera opracowany w 1996 roku pozwalający bardzo szybko przeszukiwać bazy danych oraz algorytm rozwiązujący problem komiwojażera. Komiwojażer musi odwiedzić określoną ilość miast, a oprócz ich położenia znany jest czas, odległość i koszt podróży między nimi. Mając dany punkt startowy A i punkt końcowy B trzeba wyznaczyć najbardziej zoptymalizowaną trasę.
Pierwszym komputerem kwantowym było urządzenie stworzone w 1996 roku działające na dwóch kubitach wykorzystujące zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego (NRI). Maszyna ta wykorzystywała próbkę 10²⁰ cząsteczek chloroformu CHCl₃, umieszczonych w polu magnetycznym. Komputer programowano za pomocą impulsów radiowych, a do obliczeń wykorzystano spiny cząsteczek, które były odpowiednio ustawiane za pomocą pola magnetycznego.
Ogólna zasada działania komputerów kwantowych opartych na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego polega na tworzeniu lub wykorzystaniu takich związków chemicznych, w których spiny części atomów wchodzących w skład cząsteczek są kubitami, a kwantowe relacje między nimi i innymi atomami wspomagane są zewnętrznym polem magnetycznym, wiązką światła lub promieniowaniem radiowym i realizują zaplanowane operacje logiczne. W 2001 roku grupa informatyków z IBM i Uniwersytetu Stanford zbudowała urządzenie, którego schemat cząsteczki znajduje się obok. Realizuje on algorytm Petera Shora rozkładający liczbę 15 na czynniki pierwsze. Spiny magnetyczne każdych z pięciu atomów fluoru i obydwu atomów węgla ¹³C działają jako kubity. Programowanie odbywa się przy użyciu fal radiowych, odczytywanie wyników wymaga zastosowania techniki jądrowego rezonansu magnetycznego.

Schemat 16-qubitowego procesora Orion zbudowanego na bazie 16 bloków czujników pola magnetycznego SQUID

Obecnie najbardziej obiecujące są urządzenie wykorzystujące nadprzewodzące złącze Josephsona do stworzenia dwóch splątanych ze sobą kubitów. Pierwsi takie urządzenie zbudowali naukowcy z University of California w Santa Barbara w 2005 roku oraz mniej więcej w tym samym czasie badacze z University of British Columbia w Kanadzie zbudowali 4-qubitowy procesor Calypso. Kilku z pracowników tej ostatniej uczelni założyło firmę D-Wave Systems z zamiarem stworzenia pierwszego komputera kwantowego oferowanego na sprzedaż. Na początku 2007 roku zaprezentowali kwantowy system Orion składający się z 16-qubitowego procesora Europa, a pod koniec 2007 roku już kolejny procesor kwantowy, 28 bitowy o nazwie Leda. W 2011 roku sprzedano pierwszy kwantowy komputer D-Wave One bazujący na 128-qubitowym procesorze Rainier, w 2013 sprzedano firmom Google i NASA maszynę D-WaveTwo z 512-qubitowym procesorem Vesuvius.
Na razie jednak D-Wave nie może być nazwany uniwersalnym komputerem kwantowym ponieważ potrafi on rozwiązywać tylko określone zadania optymalizacyjne. Google i NASA zamierzają wykorzystać komputer kwantowy do pracy nad takimi zadaniami jak ulepszenia technologii aktywacji urządzeń głosem, szukanie nowych leków oraz modelowanie zmian klimatycznych. Dodatkowo Google chce wykorzystać nową technologię do poprawienia prędkości obliczeniowej autonomicznych samochodów oraz usprawnienia technologii Google Glass. Maszyna D-Wave nie była budowana z myślą o uruchomieniu na niej algorytmu Shora, zatem nie nadaje się do łamania szyfrów.
Podstawa konstrukcji komputerów firmy D-Wave jest SQUID (z angielskiego Superconducting Quantum Interference Device), składający się z dwóch złączy Josephsona. SQUID jest czujnikiem pola magnetycznego, ale może być również traktowany jako odpowiednik tranzystora kwantowego. Pojedyncze złącze Josephsona składa się dwóch nadprzewodników rozdzielonych cienką warstwą izolatora i może pracować jako przełącznik, którego działanie polega na znoszeniu właściwości nadprzewodzących jednego nadprzewodnika za pomocą pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez drugi nadprzewodnik. Takie złącze charakteryzuje się bardzo krótkim czasem przełączania i bardzo małym poborem mocy. Niestety takie elementy muszą być chłodzone to temperatury niższej niż 1K (-272°C).
Ustawiając prąd na granicy przełączania złącza Josephsona, wprowadzamy układ w nieokreślony stan kwantowy będący superpozycją zera i jedynki, co fizycznie odpowiada złączu znajdującemu się w nieokreślonym stanie. Jednocześnie jest to nadprzewodnik o całkowitym spinie skierowanym w górę i w dół. W ten sposób otrzymuje się nadprzewodzący kubit w złączu Josephsona. Układ z dwoma złączami Josephsona jest układem rezonansowym, w którym na drodze rezonansowego pomiaru pojemności można określić stan kubitu bez zaburzania jego stanu kwantowego.
Opracowano na podstawie artykułu "Obliczenia na kwantach" zamieszczonego w numerze 3/2014 czasopisma "Wiedza i życie" oraz informacji internetowych.