100950766

15 Komputery kwantowe

Komputery kwantowe to maszyny obliczeniowe o supermocy, możliwe dzięki dziwacznym prawom fizyki kwantowej. W ciągu kilku minut mogą wykonywać zadania, które na komputerze osobistym trwałyby dłużej niż wiek Wszechświata, i już są dostępne w laboratoriach na całym świecie.

Dzisiejsze komputery działają, przechowując bity informacji (patrz s. 61), wykorzystując stany wł./wył. przełączników elektrycznych zwanych tranzystorami. Ale tranzystory działają zgodnie ze „starymi”, klasycznymi prawami fizyki. Na początku XX wieku fizyka klasyczna ustąpiła nowemu podejściu – mechanice kwantowej (patrz s. 39). Podczas gdy fizyka klasyczna pozostaje w pewnych okolicznościach rozsądnym przybliżeniem, szybko stało się jasne, że teoria kwantowa daje prawdziwy obraz rzeczywistości. W roku 1985 brytyjski fizyk teoretyczny

David Deutsch zdał sobie sprawę, że obliczenia komputerowe w obecnej postaci są oparte na niewłaściwej fizyce. Zajął się przekształceniem teorii obliczeń do ram kwantowych, co prowadzi do całkiem nowego projektu komputerów – zdecydowanie przewyższających swoich poprzedników.

Hello, kubit W nowym obrazie bity informacji – które klasycznie mogą przyjmować wartości 0 lub 1 – zostają zastąpione przez bity kwantowe, czyli kubity, które jednocześnie mogą być i 0, i 1. Jest to możliwe, gdyż mechanika kwantowa pozwala cząsteczce kwantowej istnieć w mieszaninie wszystkich możliwych stanów do chwili dokonania pomiaru (patrz s. 41). Więc jeśli informacje zapiszemy w świecie kwantowym, to one także będą istniały w mieszance wszystkich możliwych stanów.

Można uważać, że jest to poważny problem dla maszyny obliczeniowej, ale w istocie jest to kluczowa kwestia mocy komputerów kwantowych. Gdy bit informacji przechodzi przez zwykły procesor komputera,

przetwarzane jest tylko 0 lub 1 (zależnie od wartości bitu). Ale gdy przez procesor kwantowy przechodzi kubit, to zarówno 0, jak i 1 są przetwarzane jednocześnie. Jeśli teraz połączymy klasycznie osiem bitów, aby utworzyć bajt, to możemy zapisać dowolną liczbę od 0 do 255. Jeśli nasz komputer kwantowy ma osiem kubitów (czyli kubajt), to może przechować wszystkie te liczby w tym samym czasie i wszystkie jednocześnie przetwarzać w czasie, który klasycznemu komputerowi zabiera przerobienie jednej liczby. Ogólnie biorąc, komputer kwantowy mający n kubitów może przechować i przetwarzać jednocześnie 2 n liczb. Deutsch nazywa to „równoległością kwantową” – węzłem do przetwarzania równoległego na komputerach klasycznych, gdzie kilka procesorów współdziała razem nad zadaniem.

Słowo „równoległy” jest jednak w tym przypadku szczególnie ostre. Deutsch wierzy w interpretację teorii kwantowej jako „wielu światów” – gdzie dziwne zachowanie kwanta, powiedzmy cząsteczki subatomowej, jest powodowane przez interferencję kopii jej samej w równoległym

Długość geograficzna kubita – w tym przypadku 67° od bieguna północnego

David Deutsch stworzył podstawy teoretyczne komputerów kwantowych

Pomiar

Prawdopodobieństwo 1 (np. 70%)

Prawdopodobieństwo 0 (np. 30%)

Fizycy reprezentują stan kubita jako długość geograficzną na kuli, gdzie biegun północny reprezentuje wartość 1, a biegun południowy wartość 0. Wszędzie między biegunami mamy mieszankę tych dwóch wartości, z prawdopodobieństwem 1 lub 0 pomiaru wynikającego ze wzoru trygonometrycznego opartego na długości geograficznej kubita względem bieguna

Peter Shor opracował algorytm kwantowy do rozkładu dużych liczb na czynniki 1998

Uczeni z uniwersytetu w Oxfordzie pokazali pierwszy działający komputer kwantowy

wszechświecie (patrz s. 228). W tym ujęciu komputer kwantowy dosłownie wyprowadza swoją moc ze swoich odpowiedników w sąsiednich Wszechświatach. Nie jest to wcale tak wydumane jak może się wydawać – przechowywanie wszystkich informacji wymaganych do przeprowadzenia pewnych obliczeń kwantowych zabiera więcej klasycznych bitów informacji niż jest atomów w naszym Wszechświecie. W ujęciu Deutscha komputery kwantowe muszą wykorzystywać inne Wszechświaty, bo inaczej nie starczyło by im pamięci do wykonania wszystkich zadań, które już teraz wykonują.

SZYFROWANIE KWANTOWE

Komputery kwantowe mają ogromny wpływ na bezpieczeństwo narodowe. Nowoczesne systemy szyfrowania – używane do bezpiecznej transmisji wrażliwych komunikatów – polegają na rozkładzie dwóch dużych liczb na ich czynniki. Wysłanie komunikatu wymaga tylko samej liczby (która jest dostępna publicznie), ale odczytanie go wymaga jej czynników (które są piekielnie trudne do obliczenia). To, co nazywamy szyfrowaniem kluczem publicznym przypomina trochę włożenie komunikatu do pudełka z zamkiem zapadkowym – każdy może je zamknąć, ale do jego otwarcia

potrzebujemy klucza.

Obliczenia w działaniu W roku 1988 pierwszy działający komputer kwantowy został pokazany przez uczonych na uniwersytecie w Oxfordzie, w Anglii. Miał tylko dwa kubity, ale mógł wykonać prosty algorytm. Od tego czasu nastąpiły znaczące postępy. W sierpniu 2015 roku kanadyjska firma D-Wave Systems wprowadziła swój komputer kwantowy D-Wave 2X do sprzedaży. Ma on 1024 kubity wykonane z nadprzewodzących pętli z metalu niobu. Jedynymi wadami są rozmiary i cena – wymaga on pokoju o powierzchni 10 metrów kwadratowych i kosztuje ponad 15 milionów dolarów. Nie powstrzymało to Google’a od kupienia go i zaprzęgnięcia do pracy przy szkoleniu algorytmów rozpoznawania wzorców, które pozwalają

Szyfrowanie kluczem publicznym jest oparte na fakcie, że rozkład na czynniki pierwsze dużych liczb na klasycznym komputerze może trwać dłużej niż czas życia Wszechświata. Zła wiadomość jest taka, że uniwersalny komputer kwantowy może to zrobić w kilka minut.

2011

D-Wave One stał się pierwszym komercyjnym komputerem kwantowym

2012

Powstała firma 1Qbit –pierwsza firma poświęcona oprogramowaniu kwantowemu

2014

Edward Snowden ujawnił, że NSA (amerykańska agencja bezpieczeństwa) rozwija łamanie kodów za pomocą komputerów kwantowych

‘ Mechanika kwantowa jest dziwaczna.

Nie rozumiem jej. Nie musicie jednak rozumieć natury rzeczy, aby zbudować fajne urządzenia.’

Seth Lloyd

na rozpoznawanie obiektów przez zestaw nagłowny rozszerzonej rzeczywistości Google Glass. Producent samolotów Lockheed Martin też go kupił w celu testowania swojego oprogramowania do lotów.

Niektórzy krytykują produkty D-Wave jako nie do końca kwantowe komputery, i jest w tym sporo racji. Nie są to „uniwersalne komputery kwantowe”, gdyż nie można ich programować do wykonywania dowolnych zadań wymaganych przez użytkownika. Zamiast tego D-Wave 2X wykorzystuje proces nazywany kwantowym hartowaniem, gdzie kubity na wejściu po prostu ewoluują do swojej konfiguracji o najmniejszej energii. Można to wykorzystać do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, w których zadaniem jest znalezienie najlepszego możliwego rozwiązania. Optymalizacja ma bardzo wiele zastosowań (np. doradzenie firmie, jak najbardziej efektywnie wydać swoje pieniądze), ale przy dużych problemach zajmuje bardzo dużo czasu. D-Wave twierdzi, że jej komputery mogą rozwiązać problemy optymalizacyjne 600 razy szybciej niż klasyczne maszyny.

Wyluzuj Zbudowanie naprawdę uniwersalnego komputera kwantowego jest trudne ze względu na delikatność bitów kwantowych. W chwili, gdy kubit wchodzi w interakcję z otaczającym go środowiskiem, jego delikatny stan kwantowy zostaje zakłócony i wszelkie obliczenia kwantowe, które mogliśmy przechowywać, zostają utracone. Jest to znane jako dekoherencja (patrz s. 41). Zwykle kubit trwa kilka sekund od chwili powstania, a potem następuje dekoherencja. Uczeni próbują rozszerzyć to, wykorzystując kriogeniczne techniki chłodzenia, aby zredukować szumy cieplne, schładzając kubity do kilku tysięcznych stopnia powyżej zera bezwzględnego.

Komputery kwantowe mają potencjał do zrewolucjonizowania dziedzin, które zależą od siłowego przetwarzania danych, jak finanse, inżynieria i analiza danych. W końcu będą miały możliwość złamania większości dzisiejszych bezpiecznych szyfrów (patrz ramka na s. 71),

co już przyciągnęło uwagę agencji bezpieczeństwa narodowego. Ale jednym z najważniejszych zastosowań będą same badania naukowe, gdzie komputery kwantowe staną się ostatecznym narzędziem do symulacji zachowania układów kwantowych, pogłębiając nasze przyszłe zrozumienie enigmatycznej fizyki świata subatomowego.

TEORIA W PIGUŁCE

33 Klonowanie i GM

Postępy naukowe w dziedzinie klonowania i modyfikacji genetycznych dały rozwiązanie wielu ważnych globalnych problemów, w tym chorób i niedożywienia. W 1972 roku biolodzy opracowali sposób podziału DNA i ponownego jego łączenia, dający nieograniczone możliwości.

Jednak problemy etyki i bezpieczeństwa otaczające te eksperymenty nadal powodują podziały.

W 1996 roku uczeni z uniwersytetu w Edynburgu trafili na nagłówki, gdy ogłosili światu narodziny Dolly – pierwszego ssaka, który został sklonowany z ciała dorosłego osobnika. Dolly wywołała gorącą debatę, w której wielu ludzi zwracało uwagę na konsekwencje „interwencji w matkę naturę”. Klonowanie jest w istocie bezpłciową reprodukcją, gdzie identyczni potomkowie są produkowani przez jedno z rodziców. Dzieje się to od miliardów lat w świecie naturalnym u bakterii, grzybów i roślin. Każdy gorliwy ogrodnik wie, że rośliny można klonować, odcinając ich części, które po posadzeniu dają drugą identyczną roślinę.

Hello Dolly Uczeni zaczęli eksperymentować z klonowaniem już na początku XX wieku. W 1928 roku niemiecki embriolog Hans Spemann rozdzielił komórki dwukomórkowego embrionu salamandry i z powodzeniem utworzył dwie larwy. 1958 roku brytyjski biolog John Gurdon sklonował żabę, wykorzystując komórki z jelita afrykańskiej żaby – platany szponiastej. Jednak Dolly była owcą – pierwszym dużym ssakiem, który powstał w wyniku klonowania i, co było przełomem, z dorosłej komórki, a nie z embrionu. Była wymarzonym dzieckiem

LINIA CZASU

1928

Hans Spemann sklonował salamandrę, rozdzielając na pół dwukomórkowy embrion

1958

John Gurdon sklonuje afrykańską platanę szponiastą, wykorzystując komórki z jelit

1972

Berg jako pierwszy zrekombinował (zmodyfikował) DNA z wirusów

Iana Wilmuta i jego kolegów z Roslin Institute na uniwersytecie w Edynburgu.

‘

Dzięki inżynierii genetycznej będziemy mogli zwiększyć złożoność naszego DNA i poprawić ludzką rasę.’

Wilmut użył techniki zwanej jądrowym przeniesieniem komórki somatycznej (somatic cell nuclear transfer – SCNT). Komórka jajeczka (zarodek) jest pobierana od matki i jądro tej komórki zawierające cały jej kod genetyczny zostaje usunięte i odrzucone. Następnie jest pobierana komórka dawcy, klonowanego zwierzęcia – komórka somatyczna (z ciała), a nie reprodukcyjna. Jądro tej komórki zostaje przeszczepione do „pustej komórki jajeczka, gdzie zaczyna się dzielić i staje się blastocystą (zawierającą ok. 100 komórek). Ta blastocysta zostaje następnie umieszczona w łonie matki, gdzie zaczyna rosnąć.

Stephen Hawking

Nie był to jednak łatwy proces. Otrzymanie Dolly wymagało od Wilmuta około 277 prób. Dolly spędziła życie w Roslin Institute i urodziła sześć owieczek, w tym jedne trojaczki. Rozchorowała się jednak na płuca i artretyzm i została uśpiona w wieku 6 lat – owce jej rasy (Finn Dorset) żyją zwykle do dwunastu lat. W kolejnych latach po urodzeniu się Dolly sklonowano z powodzeniem więcej ssaków, w tym świnie, kozy, konie i muły. Próby klonowania naczelnych okazały się jednak trudne i niewiele przetrwało poza stadium blastocyst.

Klonowanie terapeutyczne W zasadzie mamy możliwość klonowania ludzi, ale jest to praktyka zakazana w wielu krajach. Klonowanie terapeutyczne jest usankcjonowane w Wielkiej Brytanii i USA, ograniczone jednak ścisłymi regulacjami. Klonowane embriony są używane do pobrania komórek, które są genetycznie identyczne z pacjentem. Są one zbierane we wczesnym stadium, zanim ulegną zróżnicowaniu na różne tkanki. Takimi „komórkami macierzystymi” można następnie manipulować, aby utworzyć rodzaje komórek potrzebne pacjentowi. Ogromną zaletą takiego postępowania jest fakt, że będąc genetycznie

1978

Ludzka insulina po raz pierwszy została wyprodukowana przez genetycznie zmodyfikowane bakterie E. Coli

1982

Odporne na antybiotyki rośliny tytoniu zostają zebrane jako pierwsze plony GMO

1996

Narodziny owieczki Dolly – pierwszego dużego sklonowanego ssaka

KOMÓRKI MACIERZYSTE – EMBRION A DOROSŁY

Wykorzystanie embrionalnych komórek macierzystych zawsze będzie budzić kontrowersje. Przez lata uczeni analizowali dorosłe komórki macierzyste, aby zobaczyć, czy mają one do zaoferowania podobny potencjał. Komórki macierzyste embrionalne mogą rozwinąć się w niemal każdą komórkę ciała. Natomiast dorosłe komórki macierzyste są mniej zmienne. W roku 2014 dorosłe komórki ludzkiej skóry po raz pierwszy zostały przekształcone w komórki macierzyste przy wykorzystaniu techniki SCNT. Wcześniej wydawało się to niemożliwe, gdyż dorosłe komórki macierzyste mutują wraz z wiekiem. Jednak uczeni z Kalifornii utworzyli komórki macierzyste oddzielnie ze skóry dwóch mężczyzn, z których jeden miał 75 lat. To doprowadziło do spekulacji, że może części ciała mogą być regenerowane także u ludzi starych. Rozwój dorosłych komórek macierzystych mógłby prowadzić do transplantacji tkanek w celu zwalczania wielu poważnych problemów medycznych, w tym uszkodzeń rdzenia kręgowego, sklerozy czy choroby Parkinsona.

Modyfikacja genetyczna W 1972 roku amerykański biolog Paul Berg rozwinął technikę podziału DNA na kawałki, które można było składać i przenosić do innego organizmu, nawet między różnymi gatunkami. Stało się to znane jako modyfikacja genetyczna (GMO) i miało ogromny wpływ na wzrost plonów w rolnictwie, choć podobnie jak klonowanie nadal jest kontrowersyjne. Zmiana wzorca kodu genetycznego daje możliwość zmian w organizmie. Ma to ogromny wpływ na rolnictwo, gdzie plony GMO są dostosowywane w celu większej odporności na pestycydy, uzyskania większej wartości odżywczej identyczne z pacjentem, nie zostaną odrzucone przez jego system immunologiczny. Krew pępowinowa pobrana zaraz po urodzeniu zawiera komórki macierzyste zwane krwiotwórczymi komórkami krwi (haematopoietic blood cells – HCS), które mają zdolność tworzenia białych i czerwonych krwinek i płytek krwi. HCS są używane do leczenia rakowych chorób krwi, jak białaczka u dzieci. Wykorzystanie krwi pępowinowej pozwala ominąć etyczną debatę nad korzystaniem z embrionów – ponieważ do tworzenia komórek macierzystych nie jest w tym przypadku potrzebne klonowanie.

i możliwości dłuższego przechowywania. Na przykład identyfikacja genu, który nie pozwala arktycznym rybom zamarznąć w wodzie, i wstawienie go do gatunku uprawnego może prowadzić do odporności na mróz.

Modyfikacja genetyczna nie ogranicza się jednak do upraw. W medycynie jest używana do tworzenia insuliny do leczenia cukrzyków. Zaczęło się to w 1978 roku, gdy uczeni zauważyli, że jeśli ciąg genetyczny, który koduje ludzką insulinę, wprowadzić do DNA bakterii E. Coli, będzie ona wytwarzać ludzką insulinę. Wcześniej była używana insulina zwierzęca, która musiała być oczyszczana. Syntetyczna ludzka insulina okazała się tańsza, jest szybciej wchłaniana i powoduje mniej efektów ubocznych.

Owady mogą być modyfikowane genetycznie z wielu powodów, m.in. w celu kontroli szkodników i wysokości plonów. Na przykład na wyspach Floyda Keys uciążliwe choroby roznoszone przez komary, jak gorączka denga i chikungunya, stały się problemem. Uczeni wyhodowali zmodyfikowanego GMO samca komara, który spółkuje z dzikimi samicami, tworząc potomków ginących w stanie larwalnym. Plan wypuszczenia tych owadów spotkał się z oporem mieszkańców, którzy boją się ugryzienia zmodyfikowanego komara bardziej niż samych chorób.

Podczas modyfikacji genetycznej ciąg podstaw nukleotydów (kodowanie określonych genów) jest wycinany z DNA organizmu dawcy i wstawiany do DNA modyfikowanego organizmu

NAKARMIĆ ŚWIAT

Złoty ryż to intrygujący przykład sposobu, w jaki plony GMO mogą rozwiązać poważne problemy świata. Biały ryż jest podstawowym pożywieniem w wielu krajach, ale nie jest dobrym źródłem witaminy A. Miliony dzieci w krajach rozwijających się cierpią na brak witaminy A, co może prowadzić do ślepoty lub śmierci.

W 1999 roku uczeni odkryli, że jeśli do białego ryżu dodadzą dwa geny, jeden z bakterii glebowej i drugi z żonkila, będą one stymulować produkcję beta karotenu – pigmentu, który nasze ciało przekształca w witaminę A. Uczeni nazwali ten produkt złotym ryżem, a jedna jego miseczka zawiera 60% dziennego zapotrzebowania dziecka na witaminę A. Krytycy argumentują, że próby z testami złotego ryżu były wadliwe, zwolennicy zaś twierdzą, że jest to realne rozwiązanie ogromnego problemu.

Klonowanie i GMO napędzają rozwijającą się gałąź badań, która wcześniej była zaliczana do science fiction – biologii syntetycznej. Opisywana jako „inżynieria genetyczna na sterydach” ma na celu nie tylko przeprojektowanie istniejących organizmów, lecz także tworzenie całkiem nowych form życia

TEORIA

W PIGUŁCE

Dostosowywanie organizmów poprzez edycję genów