Prof. Adam Doliwa o informatyce kwantowej: Czeka nas ogromna rewolucja

Panie profesorze, jako naukowiec sytuuje się pan na interesującym pograniczu fizyki i matematyki.

Rzeczywiście, naukowo zajmuję się teorią układów całkowalnych, a jest to gałąź wiedzy znajdująca się na pograniczu fizyki teoretycznej i matematyki stosowanej. Interesują mnie matematyczne aspekty fizyki, a w szczególności fizyki kwantowej, która jest podstawową kategorią do opisywania materii. Właściwie od końca studiów zadaję sobie pewne dość fundamentalne pytanie: co może być obliczone, jakie procesy fizyczne mogą być dokładnie przedstawione za pomocą matematyki, a ściślej mówiąc, jakie zagadnienia matematyczne z tym związane możemy w sposób ścisły rozwiązać.

A z pytaniem, co może być obliczone, wiąże się pewnie kwestia tego, jak to zrobić.

Dokładnie. Gdy fizycy próbowali stosować do swoich zagadnień model obliczeń Turinga, który opiera się na działaniu na sekwencjach zer i jedynek, okazywało się, że nie mógł on podołać. Aby zobrazować to przykładem: skutecznie potrafimy rozwiązać problem dwóch cząsteczek elementarnych, ale jeśli mamy układy składające się z wielu atomów, np. białka, to mimo iż znamy podstawy teoretyczne, to dokonanie obliczeń staje się bardzo trudne, bo złożoność numeryczna jest tak duża, że standardowe komputery nie dają rady. W związku z tym w latach siedemdziesiątych XX wieku fizycy, do których należał między innymi Richard Feynman, doszli do wniosku, że skoro natura jest tak skomplikowana, to nie warto iść jej na przekór, ale tę złożoność wykorzystać. Zaczęto zastanawiać się, jak wykorzystać mechanikę kwantową do przeprowadzania rachunków.

Na czym polega przewaga obliczeń kwantowych?

Są trzy główne różnice pomiędzy opisami zjawisk kwantowych i klasycznych, które można określić jako: prawdopodobieństwo, superpozycja oraz splątanie. Pierwsze pojęcie związane jest z faktem, że nie możemy określić wyniku pomiaru wielkości związanych z układem fizycznym, a tylko ich prawdopodobieństwa. W związku z tym, że z tą koncepcją spotykamy się w życiu codziennym, np. rzucając kostką do gry, to jesteśmy w stanie ją zaakceptować i wykorzystać, konstruując znane od wielu lat algorytmy probabilistyczne.

Możliwość superpozycji, czyli złożenia stanów, wynika z kwantowego opisu obiektów fizycznych przy pomocy wektorów (nazywanych w tym kontekście kubitami – bitami kwantowymi). Wektory możemy dodawać, co powoduje, że pewne ich składowe (współrzędne kubitu w bazie obliczeniowej) się wygaszają, a inne wzmacniają. Zjawiska takie widzimy, obserwując np. fale na wodzie, więc także ten efekt możemy sobie wyobrazić, chociaż np. doświadczenia związane z ugięciem fali opisującej elektron kiedyś wydawały się szokujące. Ponadto, pracując z wektorami, działamy jednocześnie na wszystkich ich współrzędnych, co daje możliwość prowadzenia równolegle wielu obliczeń.

Splątanie, mówiąc w skrócie, jest powiązaniem ze sobą kilku obiektów kwantowych mogących być nawet w dużej odległości od siebie, ale operacje przeprowadzane na jednym z nich są automatycznie obserwowalne w innych. Efekt ten, wynikający matematycznie z zastąpienia iloczynu kartezjańskiego zbiorów iloczynem tensorowym przestrzeni wektorowych, jest podstawą kwantowego przekazywania informacji i jest obecnie wykorzystywany praktycznie do bezpiecznej (tzn. niemożliwej do podsłuchania) komunikacji. Już na początku rozwoju fizyki kwantowej jej ojcowie przewidywali różne paradoksy związane ze splątaniem, co np. doprowadziło Einsteina do kwestionowania mechaniki kwantowej z powodu tego, jak sam to określił, „upiornego działania na odległość”. Doświadczenia mające obalić teorię kwantów, które zaproponował w latach trzydziestych, zostały przeprowadzone w latach siedemdziesiątych i okazało się, że jednak nie miał racji.

Od momentu, kiedy ludzie zdali sobie sprawę z tego, że informatyka kwantowa może dokonać rewolucji, badania mocno przyspieszyły.

Tak, szczególnie jeśli przypomnimy sobie, że kiedy tworzono pierwsze komputery w  latach czterdziestych, to miały one głównie zastosowania militarne, takie jak łamanie szyfrów czy teoretyczne symulacje wybuchów nuklearnych. Na przełomie XX i XXI w. mocno ruszyły prace – z jednej strony nad badaniem teoretycznych możliwości komputerów kwantowych, a z drugiej nad ich zbudowaniem. Gdy rozpocząłem pracę na WMiI, pomyślałem, że dobrze by było, żeby nasi studenci mieli jakiekolwiek pojęcie, co robi się w tej kwestii we współczesnej informatyce. Uznałem, że jako fizyk teoretyk będę w stanie poprowadzić wykład z algorytmów kwantowych i robię to już od 15 lat. Swoją drogą jest to pierwszy regularny wykład o tej tematyce w Polsce wprowadzony do programu studiów. Zawsze na pierwszym wykładzie pokazuję studentom stronę hasła „informatyka kwantowa” w Wikipedii. Jak zacząłem go prowadzić, hasło to zajmowało 1–2 strony, później, z każdym rokiem, zaczęło przybywać sukcesów – najpierw teoretycznych, a później związanych z budowaniem komputerów kwantowych. Od 2020 r. robi się zestawienia już nie roczne, tylko miesięczne, a obecnie nowe osiągnięcia odnotowywane są co kilka dni.

W 2025 r. w Polsce zostały uruchomione dwa komputery kwantowe: PIAST-Q w PCSS w Poznaniu oraz Odra 5 na Politechnice Wrocławskiej. Co pana zdaniem może się wydarzyć w związku z rozwojem informatyki kwantowej?

Matematyczne podstawy mechaniki kwantowej są bardzo dobrze znane od stu lat, więc sądzę, że musimy nastawić się na wykorzystanie znanych zjawisk fizycznych do konstrukcji nowych algorytmów kwantowych. Dzisiaj nie wiemy jeszcze, co dokładnie możemy zrobić przy ich użyciu. Jeszcze w latach sześćdziesiątych czy siedemdziesiątych XX w. trudno było sobie wyobrazić, że niemal każdy z nas będzie miał komputer w kieszeni w postaci smartfona. Dlatego dzisiaj mówienie o przyszłości komputerów kwantowych byłoby nieodpowiedzialne naukowo. Ale jednego jestem pewien: czeka nas ogromna rewolucja. Przewiduje się, że połączenie uczenia maszynowego z komputerami kwantowymi będzie miało równie przełomowe znaczenie jak konstrukcja bomby jądrowej. Obecnie jest bardzo duża rywalizacja na tym polu pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Chinami i jestem przekonany, że wiele wyników wytworzonych poza środowiskiem akademickim nie jest publikowanych.

Firma IBM, z którą współpracuje UWM, udostępniła możliwość dokonywania obliczeń kwantowych w chmurze. Korzystają państwo z tego na wydziale?

Na wspomnianym przeze mnie wykładzie z algorytmów kwantowych, wraz z moim doktorantem, mgr. inż. Adamem Zalewskim, pokazaliśmy studentom, w jaki sposób można połączyć się z takim komputerem zdalnie i uruchomić program w języku Qiskit stworzonym przez IBM do programowania komputerów kwantowych. Planujemy również wykorzystanie ich do testowania naszych hipotez, a także do sprawdzania, czy nasze algorytmy kwantowe, które projektujemy, będą mogły być zaaplikowane.

Wiem, że pracuje pan też nad paradygmatem związanym z kwantowym odpowiednikiem algorytmów probabilistycznych.

Tak. Obecnie obowiązujący teoretyczny paradygmat w algorytmach kwantowych, wykorzystywany przez wspomniany już język Qiskit, bazuje na bramkach kwantowych, czyli na kwantowych odpowiednikach układów bramek cyfrowych. Zajmuję się spacerami po grafach, gdzie dynamika jest opisywana mechaniką kwantową, a przy okazji chcę wykorzystać pewne koncepcje teoretyczne, które w teorii układów całkowalnych są rozwijane od kilkudziesięciu lat. Chciałbym te wyniki wykorzystać do budowy algorytmów kwantowych, a także wskazać na nowe obszary i zjawiska fizyczne, które mogłyby być wykorzystane do konstrukcji komputerów kwantowych.

Rozmawiała Marta Wiśniewska

Prof. dr hab. Adam Doliwa pracuje w Instytucie Matematyki UWM. Jest fizykiem matematycznym, specjalizującym się w teorii nieliniowych układów całkowalnych. Bada związki pomiędzy matematyczną strukturą symetrii opisywanego procesu, a możliwością ścisłego i efektywnego (z punktu widzenia złożoności obliczeniowej) wyznaczenia jego zachowania.

Tekst ukazał się w styczniowym numerze „Wiadomości Uniwersyteckich", którego tematem przewodnim jest „Jutro". Naukowcy z UWM śmiało spoglądają w przyszłość i pracują nad tym, by czynić ją lepszą. Wspólnie z naszymi rozmówcami przypominamy więc, że na jutro nie należy odkładać troski o zdrowie... i emeryturę, a także zastanawiamy się, czy czeka nas kwantowa przyszłość. 

Piszemy też o sukcesach naszej społeczności oraz wydarzeniach, którymi żył Uniwersytet. Wszystkie wydania „Wiadomości Uniwersyteckich" znajdują się >>> na stronie UWM.