19 lutego 2025 roku przejdzie do historii jako dzień, w którym Microsoft zaprezentował światu swój pierwszy układ do obliczeń kwantowych – Majorana 1. Zdaniem amerykańskiego giganta technologicznego, jest to przełom, który może skrócić czas wdrożenia praktycznych komputerów kwantowych z dekad do zaledwie kilku lat. Czy Bitcoin i kryptowaluty są zagrożone?
Nowa klasa materiałów i „przekraczanie granic” stanu materii
Istotą rewolucyjnego rozwiązania jest opracowanie tzw. topokonduktorów (ang. topological superconductors), czyli materiałów zdolnych do przejścia w nowy stan skupienia – stan topologiczny. Nie jest on ani ciałem stałym, ani cieczą czy gazem. Wykorzystanie w tym procesie specjalnego typu cząstek zwanych Majoranami (teoretyzowanych już w latach 30. XX wieku) przyczyniło się do stworzenia nowego rodzaju kubitów o zwiększonej stabilności i odporności na błędy.
– „To nowatorski projekt architektury kubitu” – podkreśla Microsoft w oficjalnym komunikacie. Firma zaznacza, że kubity te zaprojektowano z myślą o niezawodności, a przy tym są one na tyle małe, że mieszczą się w granicach jednej setnej milimetra. Takie podejście ma pozwolić na osiągnięcie „progu miliona kubitów” – liczby, o której specjaliści mówią jako o niezbędnej do rzeczywistej, przemysłowej użyteczności komputerów kwantowych.
Potwierdzeniem słuszności tego podejścia ma być m.in. publikacja w prestiżowym „Nature”, która wskazuje, że Microsoftowi faktycznie udało się zaobserwować i zmierzyć własności cząstek Majorany w opracowanym układzie.
Od laboratorium do masowej produkcji?
W swoim chipie kwantowym o nazwie Majorana 1 Microsoft umieścił – jak dotąd – osiem kubitów opartych na nowym stanie skupienia. Układ jest kompaktowy i, co najważniejsze, integruje zarówno same kubity, jak i niezbędną elektronikę kontrolną w jednym chipie. Firma deklaruje, że dzięki temu inżynierowie mogą łatwiej integrować procesor kwantowy z istniejącą infrastrukturą obliczeniową, np. w centrach danych chmurowej platformy Azure.
– „Zaprojektowanie układu, który będzie odporny na błędy i jednocześnie łatwo skalowalny, było naszym głównym celem od samego początku. Wierzymy, że dzięki Majorana 1 praktyczne komputery kwantowe są bliżej realizacji niż kiedykolwiek wcześniej” – mówi Chetan Nayak, jeden z głównych inżynierów pracujących nad projektem.
Aby osiągnąć taki stan, Microsoft musiał stworzyć od podstaw zupełnie nowe materiały na bazie arsenku indu i aluminium, łącząc je w sposób kontrolowany atom po atomie. W ten sposób powstały wspomniane topokonduktory, które w ekstremalnie niskich temperaturach stają się nadprzewodnikami topologicznymi. To właśnie w nich „narodziły się” fermiony Majorany (zwane w tym kontekście Majorana Zero Modes), kluczowe dla budowy stabilnych kubitów.
Quantum Flagship, DARPA i światowy wyścig o dominację
Globalna rywalizacja o „kwantową koronę” trwa już od kilku lat, a coraz większe fundusze przeznaczane są na badania nad kwantowymi technologiami. Według raportu EY i Uniwersytetu Oksfordzkiego, globalne wydatki na ten cel sięgają już 40 mld dolarów rocznie.
Największe ambicje w tym obszarze prezentują Chiny – i to one, zdaniem licznych obserwatorów, wysunęły się na prowadzenie w dziedzinie prac nad prototypowymi maszynami kwantowymi. Wysoko w rankingu plasuje się też Wielka Brytania, a także USA, gdzie rząd federalny – m.in. za pośrednictwem DARPA – finansuje przełomowe projekty. W Unii Europejskiej wiodącą rolę odegrały Niemcy, które na rozwój kwantowych rozwiązań wydały już 3,3 mld dol. Dla porównania: cały unijny program Quantum Flagship dysponuje budżetem w wysokości 1,1 mld dol.
DARPA (Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA) dostrzegła w technologii Microsoftu potencjał stworzenia komputera kwantowego odpornego na błędy w dużej skali. W ramach programu US2QC amerykańska agencja postanowiła wesprzeć prace Microsoftu nad topokonduktorami i fermionami Majorany.
– „Bardziej stabilne kubity to mniejsze ryzyko błędów i możliwość wykonywania bilionów operacji kwantowych. Tylko taka wydajność naprawdę przełoży się na praktyczne rozwiązania naukowe i przemysłowe” – podkreślają eksperci DARPA.
Konkurencja nie śpi
W tym wyścigu biorą zresztą udział już także Google czy IBM. Google zaprezentowało kilka miesięcy temu swój chip Willow, który – według firmy z Mountain View – ma pokonać klasyczne superkomputery w zadaniach teoretycznie zajmujących setki czy nawet tryliony lat. IBM z kolei zakłada, że duże komputery kwantowe uda się skomercjalizować do roku 2033.
O ile jednak konkurencja stawia na inne rodzaje kubitów (np. kubity nadprzewodnikowe, pułapki jonowe czy kubity krzemowe), to strategia Microsoftu polegająca na „poskromieniu” cząstki Majorany może okazać się kluczowa w uzyskaniu większej stabilności układu.
Nie brakuje jednak sceptyków. Jensen Huang, dyrektor generalny Nvidii, stwierdził niedawno, że zanim komputery kwantowe na dobre przewyższą możliwości klasycznych chipów, może upłynąć jeszcze nawet dwie dekady. Taka ostrożność wynika z faktu, że układy kwantowe wciąż pozostają wrażliwe na zakłócenia, a proces ich „strojenia” i utrzymania w stabilnym stanie bywa niezmiernie skomplikowany.
Nowy horyzont możliwości
Bez względu na opinie sceptyków, większość naukowców i przedstawicieli branży IT jest zgodna co do jednego: jeśli komputery kwantowe staną się dostatecznie duże i stabilne, mogą wywołać prawdziwą rewolucję. Ich potencjał wykorzystania dotyczy między innymi:
- Medycyny i farmakologii – symulacje złożonych reakcji biochemicznych, tworzenie nowych leków i terapii,
- Chemii i materiałoznawstwa – odkrywanie materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach, np. samonaprawiające się powłoki czy silniki o znacznie wyższej efektywności,
- Optymalizacji i logistyki – wydajniejsze sieci transportowe czy systemy zarządzania energią,
- Kryptografii – zarówno nowe algorytmy zabezpieczające, jak i zagrożenie dla istniejących obecnie standardów szyfrowania.
Microsoft zapowiada, że jeśli uda się przeprowadzić komputery kwantowe przez fazę prototypów do skali przemysłowej, rozwiązania takie jak Majorana 1 przyspieszą liczne prace badawcze – od projektowania silników odrzutowych aż po recykling plastiku.
Tradycyjne komputery wciąż będą potrzebne
Warto jednak pamiętać, że komputery kwantowe nie zastąpią całkowicie obecnie stosowanych maszyn. Jak przekonują niektórzy eksperci, jednostki kwantowe mogą doskonale uzupełniać procesory klasyczne w silnie wyspecjalizowanych obliczeniach. Komputery krzemowe są bowiem tańsze, lepiej zrozumiane i mniej podatne na błędy wynikające z oddziaływań kwantowych.
– „Komputery kwantowe świetnie sprawdzą się przy skomplikowanych problemach, jednak w codziennych zastosowaniach wciąż najważniejsza będzie niezawodność i niska cena klasycznych układów” – przypomina cytowany w mediach naukowych prof. Li Wei z Uniwersytetu w Tsinghua.
Czy Bitcoin i kryptowaluty są zagrożone?
W kontekście nowego ogłoszenia Microsoftu dotyczącego nowego układu kwantowego Majorana 1 (i szerzej – rozwoju komputerów kwantowych), stale pojawia się pytanie, czy technologia ta w najbliższej przyszłości zagrozi kryptowalutom, takim jak Bitcoin. Odpowiedź nie jest prosta, bo zależy od kilku czynników:
- Jak działa dziś zabezpieczenie bitcoina i innych kryptowalut?
Bitcoin (oraz większość obecnych kryptowalut) opiera się na kryptografii klucza publicznego (m.in. eliptycznych krzywych – ECC). W skrócie: zabezpieczeniem transakcji jest trudność obliczeniowa polegająca na tym, że wyliczenie klucza prywatnego na podstawie klucza publicznego jest w praktyce niemożliwe dla klasycznego komputera. - Co zmieniają komputery kwantowe?
Komputer kwantowy o odpowiednio dużej liczbie stabilnych kubitów i zdolności do wykonywania tzw. algorytmu Shora mógłby skrócić czas łamania pewnych algorytmów kryptograficznych z niewyobrażalnie długiego (np. miliardy lat) do czasu osiągalnego w praktyce. Dotyczy to zarówno RSA, jak i ECC. W teorii – jeśli powstaną naprawdę duże, stabilne maszyny kwantowe – klucze prywatne mogą przestać być tak trudne do odgadnięcia, jak w erze komputerów klasycznych. - Na jakim etapie jest technologia?
- Mimo że Microsoft, Google czy IBM notują przełomowe wyniki (np. rzekome osiągnięcie „kwantowej przewagi” w pewnych zadaniach), to do maszyn o milionach kubitów wciąż jeszcze daleka droga. Nawet ogłoszony przez Microsoft czip Majorana 1 może przyspieszyć badania, ale nie oznacza, że w ciągu miesięcy uzyskamy w pełni funkcjonalny, uniwersalny komputer kwantowy. Najbardziej optymistyczne prognozy mówią o kilku latach do momentu, w którym komputery kwantowe będą w stanie wykonywać zadania przekraczające możliwości konwencjonalnych superkomputerów – jednak niekoniecznie będzie to od razu łamanie kryptografii ECC.
- Ponadto głównym problemem pozostaje tzw. korekcja błędów. Kubity są wyjątkowo „delikatne” i wrażliwe na zakłócenia, co utrudnia tworzenie stabilnych, wielkoskalowych układów kwantowych.
- Czy bitcoin jest więc bezpośrednio zagrożony?
- Krótkoterminowo: nie. Obecnie nawet najnowocześniejsze układy kwantowe nie są w stanie w czasie rzeczywistym złamać kluczy kryptograficznych typowych dla Bitcoina czy innych popularnych kryptowalut.
- Długoterminowo: istnieje potencjalne zagrożenie. W momencie, gdy powstaną w pełni funkcjonalne komputery kwantowe z wystarczającą liczbą kubitów (mówi się tu często o setkach tysięcy lub milionach stabilnych kubitów), część obecnych protokołów kryptograficznych może okazać się niewystarczająca.
- Jak branża może się zabezpieczyć?
- Postkwantowa kryptografia: Już dziś trwają prace nad algorytmami, które byłyby odporne na ataki kwantowe. Tzw. PQC (Post-Quantum Cryptography) rozwija się dynamicznie, a niektóre algorytmy zostały już wstępnie znormalizowane przez instytucje takie jak NIST (amerykański Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii).
- Potencjalne modyfikacje samego Bitcoina: Sieć bitcoin – choć jest zdecentralizowana – może być aktualizowana, jeśli społeczność górników, węzłów i deweloperów porozumie się co do zmian. Gdy zagrożenie będzie realne, prawdopodobne jest wprowadzenie protokołów opartych na „post-quantum” algorytmach.