Nasz kontynent można uznać za kolebkę mechaniki kwantowej. Na dowód wystarczy wymienić nazwiska czołowych europejskich fizyków, którzy wnieśli wkład w rozwój tej dziedziny, jak Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i Erwin Schrödinger. Dorobek naukowy Europejczyków w tym zakresie wciąż jest imponujący – nasi uczeni zajmują pierwsze miejsce na świecie pod względem liczby publikacji naukowych w temacie mechaniki kwantowej. W UE świetnie rozwijają się także startupy z branży technologii kwantowych – około jednej trzeciej wszystkich firm działających w tej dziedzinie ma siedzibę w Unii Europejskiej. Oprócz tego dostawcy stąd dostarczają prawie połowę komponentów sprzętowych i programowych na potrzeby komputerów kwantowych.
Z drugiej strony, Europa wciąż pozostaje w tyle, jeżeli chodzi o przekładanie potencjału innowacji na rzeczywiste możliwości rynkowe. W efekcie zajmuje obecnie dopiero trzecie miejsce na świecie pod względem zgłoszonych patentów na praktyczne rozwiązania do wykorzystania w kwantowych komputerach, czujnikach i komunikacji. Oprócz tego w Unii Europejskiej brakuje dużych graczy przemysłowych, których zaangażowanie w technologie kwantowe umożliwiłoby licznym startupom, niedysponującym wystarczającymi zasobami, wejście na rynek ze swoimi pomysłami.
Kluczowy sektor
Co więcej, wysiłki Europy pozostają rozproszone między państwami członkowskimi i krajowymi oraz regionalnymi agencjami finansującymi. W konsekwencji, mimo że w ciągu ostatnich pięciu lat UE i kraje członkowskie zainwestowały łącznie ponad 11 miliardów euro w technologie kwantowe, a kilka państw opracowało własne strategie, niewystarczająca koordynacja tych działań doprowadziła do powielania podejmowanych wysiłków. Skutkiem tego było nieefektywne wykorzystanie środków i silna konkurencja o ograniczone zasoby ludzkie, ponieważ w końcu zaczęło brakować specjalistów, mimo że UE ma największą na świecie liczbę absolwentów kierunków studiów, które są powiązane z technologiami kwantowymi w porównaniu do liczby ludności.
W konsekwencji proces komercjalizacji technologii kwantowych znacząco zwolnił, pomimo że UE odgrywa wiodącą rolę w rozwoju tej dziedziny. Tymczasem w raporcie Draghiego, czyli słynnym opracowaniu dotyczącym przyszłości Unii Europejskiej, została ona scharakteryzowana jako kolejna pionierska innowacja, która może otworzyć nowe możliwości dla konkurencyjności przemysłowej oraz suwerenności technologicznej UE. Stwierdzono też, że technologie kwantowe mają potencjał podwójnego zastosowania, to znaczy mogą zostać wykorzystane zarówno do celów cywilnych, jak i tych związanych z bezpieczeństwem narodowym oraz obronnością. Uwzględniając to, uznano je za kluczowy sektor technologiczny, dla którego opracowano kompleksową strategię Quantum Europe. Ma ona na celu osiągnięcie przez Europę do 2030 roku pozycji lidera w globalnym wyścigu w tej dziedzinie.
Strategia Europy
Aby uniknąć rozdrobnienia, ułatwić wdrożenie w przemyśle i zapewnić autonomię w technologiach kwantowych w strategii, postawiono na atuty UE, czyli: potencjał naukowy i badawczo-rozwojowy na najwyższym światowym poziomie, prężną bazę startupów i rozbudowaną strukturę inwestycji publicznych. Strategię Quantum Europe oparto na pięciu filarach.
Pierwszym są badania i innowacje. Działania organów Unii Europejskiej i krajów członkowskich w tym zakresie będą koordynowane przez wyznaczanie wspólnych celów i uzgadnianie programów badań. Deklarowane jest wsparcie dla rozwoju zastosowań technologii kwantowych w kluczowych gałęziach sektora publicznego i przemysłu, co ma przyspieszyć przełożenie postępów w dziedzinie nauki na praktyczne wdrożenia. UE zapowiada również inwestycje w zachęty dla specjalistów oraz szkolenia pracowników na potrzeby przyszłego przemysłu kwantowego.
Drugi filar to infrastruktura. W tym zakresie Unia Europejska inwestuje w komputery kwantowe w ramach inicjatywy EuroHPC JU (European High Performance Computing Joint Undertaking), czyli partnerstwa publiczno-prywatnego w segmencie obliczeń wysokiej wydajności obejmujących także superkomputery oraz fabryki sztucznej inteligencji, w program EuroQCI (Quantum Communication Infrastructure), którego celem jest stworzenie infrastruktury dla komunikacji kwantowej w ramach unijnego programu IRIS² (Infrastructure for Resilience, Interconnectivity and Security by Satellite), który z kolei ma zapewnić Europie niezależność w dostępie do łączności satelitarnej oraz w linie technologiczne na potrzeby branży półprzewodników w ramach programu Chips JU (Chips Joint Undertaking). Dzięki tym inicjatywom podmioty zaangażowane w rozwój technologii kwantowych uzyskają dostęp do najnowocześniejszych rozwiązań sprzętowych, które inaczej, ze względu na ich koszt i złożoność techniczną, byłyby poza ich zasięgiem.
Układy scalone, kosmos i studia
Trzecie zadanie ujęte w strategii Quantum Europe to rozwój zaplecza naukowo-przemysłowego, które jest warunkiem długoterminowej zdolności do rozwoju i wdrażania technologii kwantowych na dużą skalę. Przede wszystkim trzeba umożliwić produkcję kwantowych układów scalonych na masową skalę i tanio, najlepiej przy wykorzystaniu procesów oraz sprzętu używanego w produkcji półprzewodników. UE planuje również uruchomić europejski ośrodek projektowania kwantowych układów scalonych. Powstać ma ogólnoeuropejska scentralizowana sieć otwartych laboratoriów testowania technologii kwantowych, co ma przyspieszyć przechodzenie od prototypów do wdrożeń. Poza tym UE planuje wzmocnić mechanizmy ochrony własności intelektualnej. Aby zapobiec przejmowaniu europejskich startupów przez inwestorów spoza Europy, planowane jest ułatwienie im dostępu do finansowania, w tym zamówień publicznych. Zadeklarowano także zidentyfikowanie i wyeliminowanie luk w łańcuchach dostaw, by ograniczyć ryzyko wynikające z nadmiernej zależności UE od ich źródeł spoza Europy.
Kolejny obszar objęty strategią Quantum Europe to maksymalizowanie wykorzystania potencjału technologii kwantowych w wojsku i w eksploracji kosmosu. Ostatni filar to działania podejmowane na rzecz zwiększenia możliwości w zakresie kształcenia, zarówno zawodowego, wyższego, jak i szkoleń, aby sprostać prognozowanemu zapotrzebowaniu na specjalistów w tej dziedzinie ze strony startupów i przemysłu kwantowego w UE.
Podczas gdy Unia Europejska ogłasza strategie, Stany Zjednoczone i Chiny już w praktyce zacięcie rywalizują o dominację w sektorze technologii kwantowych, informując o kolejnych zakończonych sukcesem innowacyjnych projektach. Opierają się przy tym na całkowicie odmiennych podejściach. O ile w pierwszym przypadku siłą napędową jest głównie dynamika amerykańskiego sektora prywatnego, o tyle w Państwie Środka tempo rozwoju jest narzucane przez państwo. Fakt, że w USA kluczową rolę odgrywają ogromne nakłady finansowe ponoszone przez prywatne firmy high-tech, zaś w Chinach postęp jest sponsorowany ze środków publicznych, nie pozostaje bez konsekwencji.
Model amerykański vs chiński
W Stanach Zjednoczonych technologie kwantowe rozwijają się dzięki połączeniu wkładu sektora prywatnego – zaangażowane są największe firmy technologiczne, jak Google, IBM i Microsoft, środków z funduszy venture capital, które wspierają startupy oraz potencjału ośrodków badawczo-rozwojowych, w tym uniwersyteckich, będących na najwyższym światowym poziomie. Rola rządu USA, choć nie do pominięcia, to jednak jest mniej bezpośrednia – państwo koncentruje się przede wszystkim na kontroli eksportu i finansowaniu strategicznym.
W Chinach natomiast decydującą rolę odgrywa rząd. Podmioty państwowe, jak Narodowa Fundacja Nauk Przyrodniczych Chin, w całości pokrywają koszty badań, które są prowadzone głównie w państwowych uczelniach oraz laboratoriach. Zaangażowanie sektora prywatnego jest minimalne, a duże firmy, jak Alibaba i Baidu, udostępniają władzom swoje zasoby. W efekcie tworzy się ściśle zintegrowane zaplecze, skupione wokół jednostek państwowych, takich jak Uniwersytet Nauki i Technologii Chin. Mniejsza jest również przejrzystość łańcuchów dostaw, głównie ze względu na potencjał technologii kwantowych w dziedzinie obronności. Oprócz tego rząd Chińskiej Republiki Ludowej ogranicza eksport większości powiązanych rozwiązań.
Największą korzyścią ze scentralizowanego podejścia władz chińskich jest możliwość koordynacji podejmowanych wysiłków. Z drugiej strony ogranicza to konkurencję, co z kolei potencjalnie może tłumić kreatywność i spowalniać innowacje. Wsparcie, a w praktyce kontrola ze strony państwa nie zachęcają do prac nad rozwiązaniami wykraczającymi poza cele wyznaczone przez rząd. Poza tym środki finansowe oraz zasoby badawczo-rozwojowe są udostępniane tylko w ramach ograniczonej liczby podejść, która została uznana przez decydentów za opłacalną i jedynie w zakresie kierunków rozwoju, które określili oni jako perspektywiczne. Taka strategia może przynieść korzyści, bo nie pozwala na marnowanie środków na nierokujące idee, ale może także okazać się ślepym zaułkiem, jeśli wybrane podejście zawiedzie. Rozdrobnione podejście USA też nie jest idealne – ekonomiści zwracają uwagę, że z kolei w tym przypadku konkurencja oraz zasady ekonomii mogą powstrzymywać amerykańskich gigantów technologicznych przed zwiększaniem skali produkcji komponentów kwantowych.
Willow vs Zuchongzhi
Trudno jak na razie ostatecznie wyrokować, ale opisane podejścia z pewnością w jakimś stopniu przekładają się na to, w jakich segmentach technologii kwantowych oba kraje osiągają sukcesy. Jak dotychczas Stany Zjednoczone przodują w dziedzinie komputerów kwantowych. Na przykład, pod koniec zeszłego roku zespół Google przedstawił procesor Willow. Wykonał on standardowy zestaw obliczeń testowych w niecałe pięć minut, co najszybszym współczesnym superkomputerom zajęłoby 10 septylionów (10 do potęgi 42) lat, czyli dłużej niż istnieje Wszechświat. Co jednak ważniejsze, możliwości Willow uznano za przełomowe, ponieważ wraz ze wzrostem liczby kubitów wskaźnik jego błędów maleje wykładniczo, czyli odwrotnie niż w dotychczas budowanych układach kwantowych. Do tej pory, w związku z tym, że kubity są bardzo wrażliwe na zakłócenia, przyjmowano bowiem za pewnik, że błędy muszą rosnąć wraz z liczbą kubitów. Osiągnięcie zespołu badaczy Google uznawano za kamień milowy, porównywalny z pierwszą sztuczną reakcją łańcuchową w 1942 roku. Dzięki temu jesteśmy coraz bliżej budowy wielkoskalowych komputerów kwantowych.
Chińczycy nie pozostają daleko w tyle. Mniej więcej w tym samym czasie co Google zaprezentowali, również 105-kubitowy, procesor Zuchongzhi 3.0. Zadanie testowe, na które superkomputer Frontier (pierwszy w rankingu superkomputerów TOP500 pod względem mocy obliczeniowej z 2024 roku) potrzebowałby około 6,4 miliarda lat, chiński konkurent Willowa wykonał w zaledwie kilkaset sekund. W przypadku tego procesora osiągnięto także przełomowe wskaźniki dokładności i wydajności odczytu. Generalnie jednak Chiny przodują w komunikacji kwantowej i nie ustępują USA, szybko rozwijając czujniki kwantowe. I choć można się spotkać z opiniami, że w dziedzinie technologii kwantowych Chiny pozostają w tyle za Stanami Zjednoczonymi o jakieś pięć lat, nie warto się przywiązywać do takich tez, zwłaszcza pamiętając o tym, jakie poruszenie w branży sztucznej inteligencji wywołał niedawno Deepseek. Również w dziedzinie technologii kwantowych może się okazać, że różnice między oboma mocarstwami mogą się zniwelować znacznie szybciej, niż się dziś prognozuje.
Podsumowanie
Potencjał technologii kwantowych jest olbrzymi. Oczekuje się na przykład, że kiedy komputery kwantowe nareszcie będą dostępne nie tylko w laboratoriach, ale trafią pod przysłowiowe strzechy, będą katalizować rozwój wielu dziedzin. Na tym, że zapewnią rozwiązania problemów, które wcześniej uważano za zbyt trudne, skorzystać mogą m.in. farmacja oraz opieka zdrowotna, dzięki na przykład odkryciu nowych substancji leczniczych, wsparciu badań genetycznych i przyspieszeniu trenowania modeli sztucznej inteligencji pod kątem analizy wyników badań lekarskich. Spodziewane są postępy w badaniach nad zmianami klimatu, inżynierii materiałowej, na przykład w zakresie nowych materiałów do produkcji akumulatorów o większej gęstości mocy, finansach, logistyce, a nawet w recyklingu, na przykład dzięki optymalizacji złożonych łańcuchów dostaw w celu zmniejszenia ilości globalnych odpadów.
Z drugiej strony, ze względu na swoje niewyobrażalnie wielkie możliwości obliczeniowe, komputery kwantowe stanowią również zagrożenie. Największe obawy dotyczą cyberbezpieczeństwa.
Obecnie najsilniejsze zabezpieczenia kryptograficzne oparte są na szyfrach, których złamanie najpotężniejszym nowoczesnym superkomputerom zajęłoby setki lat. Są one uważane za gwarant bezpieczeństwa zarówno przez rządy, jak i instytucje finansowe. Jak jednak pokazały przykłady Willow i Zuchongzhi, przy użyciu komputerów kwantowych, którymi mogliby dysponować hakerzy, takie zabezpieczenia zostałyby pokonane w ułamkach sekundy. Już dziś, chociaż takie komputery nie są jeszcze dostępne, poważnie martwi to specjalistów od cyberbezpieczeństwa. Ich obawy napędzają rozwój zupełnie nowej dziedziny, jaką staje się kryptografia postkwantowa. I trudno się temu dziwić, pamiętając, jak szybko klasyczne komputery ewoluowały od maszyn wielkości pokoju do PC-tów na każdym biurku, które obecnie pod względem mocy obliczeniowej przewyższają już smartfony.
Monika Jaworowska
