Jesteśmy pokoleniem, które powierza sztucznej inteligencji wybór piosenek na imprezę i poprawianie literówek w służbowych mailach. Wygodne i przewidywalne. W tym samym czasie, w lodowatych, wyciszonych laboratoriach, rodzi się jej krewniak z innego wymiaru. Krewniak, który nie gra według naszych prostych, binarnych zasad. Komputer kwantowy operuje na prawach fizyki, która doprowadzała do szału samego Einsteina i która na co dzień wymyka się zdrowemu rozsądkowi.
Gdy połączysz ułożonego, logicznego prymusa z tym szalonym geniuszem, dostajesz Quantum AI. Tym razem gra toczy się o wyższą stawkę niż inteligentne lodówki. Jest to próba zaprzęgnięcia najbardziej pokręconych reguł natury, by rozwiązać problemy, które przerastają naszą cywilizację - od wynalezienia leku dającego nieśmiertelność po stworzenie materiałów, o jakich nikomu się nie śniło. Dzisiaj wejdziemy na arenę, gdzie zasady dyktuje nieprzewidywalny świat kwantów.
Dwa światy, jedna przyszłość
Mamy tu do czynienia z zaaranżowanym spotkaniem dwóch skrajnych osobowości. Z jednej strony wchodzi sztuczna Inteligencja - uporządkowana analityczka, która potrafi przerzucić terabajty danych, ale myśli w sztywnych ramach zer i jedynek. Z drugiej czeka komputer kwantowy - nieprzewidywalny ekscentryk, który łamie zasady klasycznej logiki i widzi wszystkie możliwe rozwiązania jednocześnie. Zanim skłonimy ich do współpracy nad jednym projektem, warto poznać CV każdego z zawodników. W końcu od ich unikalnych talentów zależy, czy z tego duetu powstanie coś więcej niż tylko efektowny dym.
Sztuczna inteligencja
Sztuczna inteligencja, a zwłaszcza jej popularna gałąź, czyli uczenie maszynowe (Machine Learning), jest mistrzynią w rozpoznawaniu wzorców. Dajesz jej milion zdjęć kotów, a ona w końcu nauczy się odróżniać mruczka od psa. Pokażesz jej dane giełdowe z ostatnich 20 lat, a ona spróbuje przewidzieć, co stanie się jutro. Działa na klasycznych komputerach, które myślą w systemie binarnym - wszystko jest albo zerem, albo jedynką. Włączone albo wyłączone. Prawda albo fałsz.
Cała jej sprawność opiera się na brutalnej sile obliczeniowej i analizie dużych zbiorów danych. Przerabia informacje krok po kroku, liniowo, nawet jeśli robi to niewiarygodnie szybko. Mimo całego swojego zaawansowania, w pewnym momencie uderza w sufit. Sufitem są problemy optymalizacyjne o astronomicznym stopniu skomplikowania, gdzie liczba możliwych kombinacji przewyższa liczbę atomów we wszechświecie. W takich sytuacjach nawet najszybszy klasyczny komputer staje się bezradny jak dziecko we mgle.
Komputery kwantowe
W tym momencie na scenę wchodzą komputery kwantowe i wywracają stolik do góry nogami. Zamiast operować na bitach (0 lub 1), używają kubitów. Kubit, dzięki zjawisku zwanemu superpozycją, może być jednocześnie zerem i jedynką, a także przyjmować wartości pośrednie - aż do chwili wykonania pomiaru. Oznacza to, że kubit przechowuje znacznie więcej informacji niż klasyczny bit.
Dodatkowo kubity potrafią być ze sobą „splątane”. Splątanie kwantowe to jedno z dziwniejszych zjawisk w fizyce. Opisuje stan, w którym dwa kubity są ze sobą nierozerwalnie połączone, niezależnie od odległości. Zmiana stanu jednego natychmiastowo wpływa na stan drugiego. Einstein nazwał to upiornym oddziaływaniem na odległość i pewnie miał przy tym nietęgą minę.
Dzięki superpozycji i splątaniu komputer kwantowy może analizować niewyobrażalną liczbę możliwości jednocześnie. Nie musi sprawdzać każdej ścieżki w labiryncie po kolei. Może badać wszystkie ścieżki naraz i wskazywać tę właściwą. Zdolność do równoległego przetwarzania informacji czyni go maszyną stworzoną do rozwiązywania dokładnie tych problemów, przed którymi klasyczna AI kapituluje.
Quantum AI - małżeństwo z rozsądku... i z wielką przyszłością
Mamy więc AI, która świetnie uczy się z danych, ale jest ograniczona binarną logiką, oraz komputer kwantowy, który myśli w sposób probabilistyczny i potrafi ogarnąć kosmiczną liczbę kombinacji. Połączenie ich w jeden organizm, czyli Quantum AI, jawi się jako naturalny krok. W praktyce sprowadza się to do wykorzystania komputerów kwantowych do wykonywania najcięższych obliczeniowo zadań w procesie uczenia maszynowego.
Algorytmy kwantowego uczenia maszynowego (QML) to nie jest proste przeniesienie obecnych algorytmów na nowy sprzęt. Oznacza to tworzenie zupełnie nowych modeli, które od podstaw wykorzystują właściwości mechaniki kwantowej. Zamiast uczyć sieć neuronową krok po kroku, można by optymalizować całą jej strukturę za jednym zamachem. Zamiast przeszukiwać gigantyczną przestrzeń możliwych rozwiązań, można by znaleźć optymalne rozwiązanie niemal natychmiast. Podejście kwantowe daje ogromną przewagę, umożliwiając przetwarzanie przestrzeni rozwiązań w sposób współbieżny i znajdowanie optymalnych ścieżek z szybkością nieosiągalną dla systemów klasycznych.
Gdzie ta kwantowa rewolucja przyda się najbardziej
Zapowiedzi przełomu to jedno, a konkrety to drugie. Gdzie więc Quantum AI może realnie namieszać? Zastosowania są dalekie od codziennych spraw. Przeznaczeniem tej technologii nie jest szybsze znalezienie przepisu na szarlotkę przez asystenta głosowego. Rozmawiamy o problemach, które definiują granice naszego postępu technologicznego. Rynek obliczeń kwantowych, według raportu firmy MarketsandMarkets, ma osiągnąć wartość 4,375 miliarda dolarów do 2030 roku, notując średnioroczny wzrost na poziomie blisko 40%. Widzimy, że wielcy gracze traktują tę technologię śmiertelnie poważnie.
Na pierwszym froncie stoi medycyna i farmakologia. Projektowanie nowych leków jest żmudnym i drogim procesem. Polega na testowaniu tysięcy cząsteczek w nadziei, że któraś zadziała. Symulowanie interakcji nawet jednej, stosunkowo prostej cząsteczki białka na poziomie kwantowym przekracza możliwości dzisiejszych komputerów. Komputer kwantowy mógłby przeprowadzić taką symulację z niespotykaną precyzją. Quantum AI pomogłoby w analizie wyników i projektowaniu cząsteczek o określonych właściwościach. W rezultacie możliwe byłoby tworzenie personalizowanych leków, skutecznych terapii chorób neurodegeneracyjnych, w tym Alzheimera, czy innych specyfików nowej generacji. Lata badań zostałyby skrócone do miesięcy lub nawet tygodni.
Równie obiecująco wygląda sytuacja w finansach. Globalne rynki finansowe tworzą jeden wielki, skomplikowany system z milionem zmiennych. Modele AI już teraz próbują przewidywać kursy akcji czy zarządzać ryzykiem portfeli inwestycyjnych, lecz ich skuteczność jest ograniczona. Quantum AI mogłoby analizować zależności między tysiącami instrumentów finansowych w czasie rzeczywistym, tworząc modele predykcyjne o dokładności, o jakiej dzisiejsi analitycy mogą tylko marzyć. Optymalizacja portfela inwestycyjnego z uwzględnieniem wszystkich możliwych scenariuszy? Dla komputera kwantowego byłby to chleb powszedni.
Kolejnym polem do popisu jest chemia i inżynieria materiałowa. Chcesz stworzyć nowy, superwydajny materiał na baterie? Może nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej? W obu przypadkach musisz wiedzieć, jak zachowują się atomy i elektrony w strukturze materiału. To znowu domena mechaniki kwantowej. Quantum AI pozwoliłoby na projektowanie materiałów o zadanych właściwościach „od zera”, zamiast odkrywać je metodą prób i błędów. Skutki takiego przełomu byłyby odczuwalne wszędzie - od elektroniki użytkowej po produkcję energii.
Logistyka również skorzystałaby na tym połączeniu. Zadania optymalizacyjne, do których należy znalezienie najkrótszej trasy dla floty setek ciężarówek dostarczających paczki do tysięcy miejsc (klasyczny „problem komiwojażera”), są koszmarem dla klasycznych komputerów. Algorytmy kwantowe mogłyby rozwiązywać podobne zadania w czasie niemal rzeczywistym, co przełożyłoby się na gigantyczne oszczędności w globalnych łańcuchach dostaw i mniejsze zużycie paliwa. Kto wie, może w końcu paczki docierałyby zawsze na czas. Cóż za wizja!
Kiedy dostaniesz kwantowy toster?
Po tej laurce można odnieść wrażenie, że stoimy u progu nowej ery. W pewnym sensie tak, jednak z drugiej strony nie. Warto ochłodzić rozgrzaną głowę. Znajdujemy się na bardzo wczesnym etapie. Dzisiejsze komputery kwantowe są jak pierwsze komputery z lat 40. ubiegłego wieku - ogromne, drogie, piekielnie trudne w obsłudze i podatne na błędy.
Głównym problemem jest tak zwana dekoherencja. Kubity są wyjątkowo wrażliwe na wszelkie zakłócenia z otoczenia - najmniejsza zmiana temperatury, wibracja czy pole magnetyczne może zniszczyć ich delikatny stan kwantowy i spowodować błąd w obliczeniach. Utrzymanie ich w stanie koherencji jest sporym wyzwaniem inżynieryjnym. Obecne maszyny mają od kilkuset, do kilku tysięcy kubitów, podczas gdy do rozwiązania użytecznych problemów potrzeba ich znacznie więcej. I to stabilnych kubitów, a nie takich, które gubią stan po ułamku sekundy.
Mimo tych trudności, inwestycje w rozwój technologii kwantowych są olbrzymie. Firmy pokroju Google, IBM, Microsoftu czy Rigetti prześcigają się w budowaniu coraz większych i stabilniejszych procesorów kwantowych. W 2019 roku Google ogłosiło osiągnięcie „supremacji kwantowej”. Ich procesor Sycamore miał w 200 sekund wykonać zadanie, które najszybszemu superkomputerowi zajęłoby 10000 lat. Oczywiście, konkurenci (głównie IBM) natychmiast podważyli wyniki, twierdząc, że zadanie było bezużyteczne i że klasyczny superkomputer poradziłby sobie z nim w kilka dni. Przepychanka gigantów technologicznych doskonale obrazuje, jak młoda i niestabilna jest to jeszcze dziedzina.
W parze z obietnicami idą jednak poważne obawy. Jednym z pierwszych algorytmów kwantowych był algorytm Shora, który teoretycznie pozwala na złamanie większości współczesnych systemów szyfrowania (w tym RSA), na których opiera się bezpieczeństwo bankowości, handlu internetowego i komunikacji. Gdy powstanie wystarczająco duży komputer kwantowy, cała nasza obecna kryptografia może stać się bezużyteczna z dnia na dzień. Już teraz trwają prace nad kryptografią postkwantową, odporną na ataki z obu rodzajów maszyn, ale jest to wyścig z czasem.
A co z Twoją pracą? Quantum AI raczej nie odbierze Ci jej w najbliższej przyszłości. Zastąpi nie ludzi, ale klasyczne superkomputery w bardzo wyspecjalizowanych zadaniach. Wpłynie na pracę naukowców, analityków finansowych, inżynierów materiałowych czy logistyków, dając im nowe, nieprawdopodobnie skuteczne narzędzia.
Następny przystanek - rzeczywistość
Technologia kwantowa nie puka do naszych drzwi, ona próbuje je wyważyć kopniakiem z superpozycji. To, co rodzi się w tych dziwnych laboratoriach, wykracza poza definicję szybszego komputera. Widzimy tu zupełnie nowy sposób myślenia, pożyczony prosto od natury na jej najbardziej pierwotnym poziomie. Dzięki niemu przestajemy pytać „czy to możliwe”, a zaczynamy pytać „jak to zrobić”. Granica między fantastyką naukową a codzienną pracą inżyniera staje się coraz cieńsza.
Oczywiście rewolucja kwantowa nie dokona się z dnia na dzień i jest spora szansa, że nigdy nie będziemy jej w pełni pojmować, lecz z pewnością jej skutki odczujemy wszyscy. W niektórych przypadkach zmieni całkowicie nasze życie, w innych nadal będziemy borykali się z pralką, która uparcie wciąga skarpetki w nieznany wymiar. Cóż... niektóre czarne dziury są i będą po prostu poza zasięgiem nauki.
