Przyszłość komputerów – kwantowe obliczenia

Komputer kwantowy to maszyna, której działania nie da się opisać bez mechaniki kwantowej. Układ projektuje się tak, by wynik jego ewolucji był rozwiązaniem konkretnego problemu obliczeniowego. Brzmi abstrakcyjnie, ale za tą definicją stoją już działające urządzenia, także w Polsce.

Z tego tekstu dowiesz się, czym kubit różni się od bitu i dlaczego sama liczba kubitów niewiele mówi. Znajdziesz tu też granice tej technologii oraz to, co już dziś zmienia w bezpieczeństwie danych.

Kubit a bit: na czym polega różnica

Klasyczny bit ma wartość 0 albo 1. Kubit, podstawowa jednostka informacji w komputerze kwantowym, może być w superpozycji zera i jedynki, czyli obejmować też stany pośrednie. Rejestr złożony z wielu kubitów może więc reprezentować naraz wiele ciągów zer i jedynek.

Do tego dochodzą dwa zjawiska:

• splątanie – dwa lub więcej kubitów łączy się tak, że działają jako jeden system,
• interferencja – stany kwantowe mogą się wzmacniać albo znosić, podobnie jak fale; algorytm kwantowy wykorzystuje to, by wzmocnić prawdopodobieństwo poprawnej odpowiedzi i wygasić błędne.

Ważna konsekwencja: algorytmy kwantowe są probabilistyczne. Ten sam program uruchomiony dwa razy może dać różne wyniki, bo pomiar stanu kwantowego jest losowy. Dlatego obliczenia powtarza się wielokrotnie, a wynik odczytuje się statystycznie.

Prof. Wojciech Bożejko z Politechniki Wrocławskiej ujął skalę tak: dodanie jednego kubitu podwaja moc obliczeniową, a 10 kubitów daje moc 1024 razy większą. Działa to jednak tylko przy stabilnych kubitach.

Od Benioffa do Shora: skąd wziął się pomysł

• Początek lat 80. – Paul Benioff z Argonne National Laboratory wskazuje, że można budować komputery oparte na prawach fizyki kwantowej.
• Połowa lat 80. – David Deutsch z Uniwersytetu Oksfordzkiego tworzy kompletną teorię działania komputera kwantowego.
• 1994 – Peter Shor z AT&T Bell Labs publikuje algorytm, który na komputerze kwantowym mógłby szybko rozkładać bardzo duże liczby na czynniki pierwsze.
• 1995 – pierwsze kontrolowane obliczenia kwantowe i pierwsze bramki kwantowe.
• 2001 – IBM i Uniwersytet Stanforda uruchamiają algorytm Shora na 7-kubitowym komputerze i rozkładają liczbę 15 na 3 x 5.
• 2007 – D-Wave Systems pokazuje układ 128-kubitowy, choć przez lata trwał spór, czy to rzeczywiście komputer kwantowy.
• 2019 – IBM udostępnia komercyjnie w chmurze komputery z procesorem 20-kubitowym.

To właśnie algorytm Shora sprawia, że komputerami kwantowymi interesują się dziś specjaliści od bezpieczeństwa danych. Więcej o tym w części o kryptografii postkwantowej.

Dekoherencja i korekcja błędów, czyli najtrudniejsza część

Największym problemem jest dekoherencja. Stany superpozycji są bardzo nietrwałe: pod wpływem otoczenia układ w ułamku sekundy traci charakter kwantowy i “przeskakuje” do zwykłego stanu. Nawet minimalny kontakt z otoczeniem może zmienić wynik. Dlatego wiele typów kubitów pracuje w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, w charakterystycznych cylindrycznych chłodziarkach znanych ze zdjęć.

Odpowiedzią jest kwantowa korekcja błędów. W kodzie powierzchniowym jeden kubit logiczny, czyli taki, na którym faktycznie liczymy, powstaje z wielu kubitów fizycznych ułożonych na dwuwymiarowej siatce. Jest haczyk. Większa siatka pomaga tylko wtedy, gdy pojedyncze kubity są wystarczająco dokładne.

Google ten próg przekroczył. W grudniu 2024 roku firma ogłosiła, że na 105-kubitowym układzie Willow przy przejściu z siatki 3×3 na 5×5 i 7×7 błąd za każdym razem spadał o połowę. Im więcej kubitów, tym mniej błędów, a nie odwrotnie. Czas życia kubitów (T1) zbliżył się do 100 mikrosekund.

Wniosek praktyczny? Liczba kubitów w nagłówku mówi mało. Liczy się ich jakość, czyli poziom błędów i czas koherencji, oraz to, ile kubitów logicznych da się z nich zbudować.

Ile kubitów mają dzisiejsze maszyny

Poniższe zestawienie obejmuje urządzenia i eksperymenty opisane w źródłach. Różne technologie nie są wprost porównywalne, więc tabela pokazuje skalę, a nie ranking.

Dla porównania: według szacunku Google z 2025 roku maszyny o użytecznym poziomie błędów mają dziś rzędu 100-1000 kubitów.

Kto buduje komputery kwantowe

Rozwój komputerów kwantowych napędza kilku dużych graczy, którzy oferują zarówno własny sprzęt, jak i dostęp do niego w chmurze.

IBM ma dziś w ofercie procesory Heron (133 lub 156 kubitów) i Nighthawk (120 kubitów), uruchamiane na platformie IBM Quantum System Two. Firma planuje też na 2029 rok maszynę Starling. Ma być odporna na błędy i wykonywać 100 milionów bramek kwantowych na 200 kubitach logicznych.

Microsoft i Amazon własnego sprzętu na skalę produkcyjną nie sprzedają. Udostępniają za to w chmurze maszyny partnerów:

• Azure Quantum (Microsoft) – IonQ i Quantinuum (jony uwięzione), Rigetti (nadprzewodniki), Pasqal (atomy neutralne),
• Amazon Braket – IQM i Rigetti (nadprzewodniki), AQT i IonQ (jony uwięzione), QuEra (atomy neutralne).

Dzięki temu naukowcy i firmy testują algorytmy na różnych technologiach kubitów bez kupowania własnego sprzętu.

Czego komputery kwantowe nie zrobią

Popularny obraz “superszybkiego komputera, który zastąpi wszystkie inne” jest błędny. Każdy problem, który rozwiąże komputer kwantowy, da się też rozwiązać na komputerze klasycznym. Różnica dotyczy czasu i tylko w wybranych zadaniach, dla których istnieją odpowiednie algorytmy.

Praca biurowa, gry, obróbka grafiki i programowanie przez najbliższe lata zostaną na klasycznych komputerach. Komputer kwantowy to wyspecjalizowane narzędzie, a nie szybszy następca peceta.

Pokazy “przewagi kwantowej” też warto czytać uważnie. Willow wykonał w mniej niż 5 minut obliczenie, które jednemu z najszybszych superkomputerów zajęłoby 10²⁵ lat. Był to jednak test porównawczy (próbkowanie losowych obwodów), a nie zadanie z życia firmy.

Gdzie komputery kwantowe mogą się przydać

Najczęściej wymieniane obszary to:

• symulacja cząsteczek i projektowanie leków,
• projektowanie nowych materiałów,
• optymalizacja logistyki i tras transportu,
• analiza finansowa i ocena ryzyka,
• modelowanie klimatu.

Dla polskiego PIAST-Q przewidziano zastosowania hybrydowe, łączące obliczenia kwantowe i klasyczne: optymalizację, chemię kwantową, naukę o materiałach i uczenie maszynowe.

Kryptografia postkwantowa: co można wdrożyć już dziś

Najbardziej konkretnym skutkiem rozwoju komputerów kwantowych jest zmiana w szyfrowaniu. W maju 2025 roku Craig Gidney i Sophie Schmieg z Google oszacowali, że szyfr RSA-2048 dałoby się teoretycznie złamać komputerem z około miliona zaszumionych kubitów pracującym przez tydzień. To 20 razy mniej kubitów niż w szacunku tego samego zespołu z 2019 roku (20 milionów).

Maszyny takiej skali jeszcze nie ma, ale istnieje zagrożenie określane jako “store now, decrypt later”: ktoś może dziś przechwycić zaszyfrowane dane i odczytać je, gdy odpowiedni komputer powstanie. Według harmonogramu NIST podatne systemy powinny zostać wycofane po 2030 roku i zakazane po 2035 roku.

13 sierpnia 2024 roku amerykański NIST opublikował pierwsze trzy standardy kryptografii postkwantowej:

Algorytmy te działają na zwykłym sprzęcie. NIST zachęca administratorów, by zaczęli je wdrażać od razu, bo pełna migracja potrwa.

Komputery kwantowe w Polsce

W 2025 roku w Polsce uruchomiono dwa komputery kwantowe:

• Odra 5 – działa od 22 maja 2025 roku w centrum superkomputerowym WCSS Politechniki Wrocławskiej. Ma 5 nadprzewodzących kubitów firmy IQM i pracuje w temperaturze 21,5 mK. Korzystają z niego naukowcy, doktoranci i studenci.
• PIAST-Q – uruchomiony 23 czerwca 2025 roku w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym jako część europejskiej sieci EuroHPC. Ma 20 kubitów w technologii uwięzionych jonów, dostarczonych przez austriacką firmę Alpine Quantum Technologies. Jest chłodzony powietrzem i pobiera 2 kW mocy.

Te dwie maszyny dobrze pokazują różnicę technologii: kubity nadprzewodzące wymagają temperatur ułamka stopnia nad zerem bezwzględnym, a system jonowy z Poznania jest chłodzony powietrzem.

Kiedy pojawią się praktyczne zastosowania

Prognozy są rozbieżne. Hartmut Neven, szef działu kwantowego Google, podtrzymuje, że komputery kwantowe do użytku końcowego pojawią się do końca tej dekady. Bardziej sceptyczni badacze, jak Chao-Yang Lu z Chin, przesunęli swoje przewidywania z połowy stulecia na rok 2035.

Obie daty łączy jedno: przełom zależy od kubitów logicznych i korekcji błędów, a nie od rekordów w liczbie kubitów fizycznych.

Najczęściej zadawane pytania

Na czym polega komputer kwantowy?

Komputer kwantowy przetwarza informację w kubitach, które mogą być w superpozycji zera i jedynki oraz ulegać splątaniu. Algorytm kwantowy wykorzystuje interferencję, by zwiększyć szansę odczytania poprawnego wyniku. Obliczenia są probabilistyczne, więc powtarza się je wielokrotnie.

Czy komputery kwantowe już istnieją?

Tak. Pierwsze kontrolowane obliczenia kwantowe pokazano w 1995 roku, a w 2019 roku IBM udostępnił komercyjnie w chmurze komputer z procesorem 20-kubitowym. Obecne maszyny służą jednak głównie do badań i nie zastępują komputerów klasycznych.

Czy Polska ma komputer kwantowy?

Tak. Od 2025 roku działają Odra 5 na Politechnice Wrocławskiej oraz PIAST-Q w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym.

Ile jest w Polsce komputerów kwantowych?

W 2025 roku uruchomiono w Polsce dwa komputery kwantowe: 5-kubitową Odrę 5 we Wrocławiu i 20-kubitowy PIAST-Q w Poznaniu.

Źródła:

• Wikipedia – Komputer kwantowy
• PCSS – PIAST-Q
• Politechnika Wrocławska – Odra 5, komputer kwantowy dla polskiej nauki
• Google – Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip
• Google – Tracking the cost of quantum factoring
• NIST – NIST Releases First 3 Finalized Post-Quantum Encryption Standards
• Forbot – Dlaczego komputery kwantowe są inne niż myślisz?
• Malwarebytes – Komputery kwantowe w prostych słowach
• GeekWeek Interia – Kiedy komputery kwantowe staną się przydatne?
• IBM Quantum – Roadmap
• Microsoft Learn – List of quantum computing providers on Azure Quantum
• AWS – Amazon Braket