Aktualności
12 Luty 2020

Czy komputery kwantowe odmienią MES?

Pod koniec 2019 roku konsorcjum Google ogłosiło, że osiągnęło kwantową supremację! Wśród naukowców stwierdzenie to budzi wiele kontrowersji. Czy jest to jedynie dobry chwyt marketingowy, czy jednak światowa rewolucja w dziedzinie obliczeń?

Teoretyczne podstawy MES zostały opracowane w połowie lat 50-tych XX wieku w rewolucyjnej pracy Turnera, Clougha, Martina i Toppa, która zdefiniowała „element skończony” oraz określiła zasadę minimum energii potencjalnej jako sposobu na rozwiązanie wybranych problemów z inżynierii mechanicznej. Sama zasada minimum energii potencjalnej ma swoje zastosowanie w przyrodzie, zgodnie, z którą każdy układ fizyczny dąży do osiągnięcia stanu o minimalnej energii potencjalnej (chodzi o minimum lokalne nie-globalne), oznacza to, że dowolny układ będzie dążył do zmniejszenia swojej energii potencjalnej. Układ, który osiągnął minimum energii potencjalnej, jest w tak zwanym stanie równowagi stabilnej. Zasadę tą obserwujemy w zjawisku określania struktury materii, kiedy to protony i neutrony zmniejszając swoją energię potencjalną - łączą się tworząc jądro atomowe.

Zasada ta wraz z metodą rachunku wariacyjnego została wykorzystana do stworzenia równań Lagrange’a, które są podstawą mechaniki analitycznej. Prace te stanowiły początek Metody Elementów Skończonych w obecnie funkcjonującej formie.

Ogromną rolę w powstaniu MES odegrał naukowiec polskiego pochodzenia Prof. Olgierd Cecyl Zienkiewicz, który jako pierwszy wykorzystał Metodę Elementów Skończonych do obliczeń w inżynierii ogólnej. Przedstawił pełną metodologię rozwiązań zagadnień brzegowych i brzegowo – początkowych w fizyce matematycznej oraz naukach inżynierskich. Warto zaznaczyć, że profesor Zienkiewicz był autorem ponad 500 artykułów naukowych, jednym z założycieli pierwszego czasopisma naukowego o mechanice komputerowej (International Journal of Numerical Methods in Egnineering) oraz założycielem pierwszego ośrodka zajmującego się MES na świecie. Profesor jest powszechnie nazywany „ojcem Metody Elementów Skończonych”.

Prace naukowe prekursorów i rozwój możliwości obliczeniowych komputerów, doprowadził do tego, że w latach 80 XX wieku powstały pierwsze profesjonalne oprogramowania do obliczeń MES, które mógły być instalowane na komputerach osobistych. Był to początek rewolucji w przemyśle, która pozwoliła małym i średnim firmą w szybki i stosunkowo tani sposób wprowadzić nowy produkt na rynek i go skomercjalizować.

Kolejnym krokiem było zintegrowanie systemów CAE i CAD w latach 90-tych.

Rozwój technologii komputerowej w XX wieku doprowadził do sytuacji, w której obliczenia MES stały się przewodnią metodą badania wytrzymałości konstrukcji, naprężeń, symulacji odkształceń, przemieszczeń, przepływów ciepła, przepływów cieczy itp. Za pomocą metody elementów skończonych bada się statykę, dynamikę i kinematykę maszyn. W czasach silnej konkurencji, firmy które chcą wprowadzać swój produkt na rynek weryfikuje go za pomocą analiz numerycznych nie tylko w celach bezpieczeństwa, ale również w celach optymalizacyjnych konstrukcji i materiałów (optymalne wykorzystanie materiałów, oszczędności energetycznej itp.). Wykorzystuje się do tego takie praogramy jak MIDAS NFX, MIDAS MeshFree, CAE LIMIT czy SDC Verifier.


Według wielu naukowców kolejnym przełomem w dziejach ludzkości, po rewolucji naukowo – technicznej (zwana trzecią rewolucją przemysłową) będzie „epoka kwantowa”. Pierwszą „ofiarą” „epoki kwantowej” padł poczciwy kilogram, którego dotychczasową definicję zmieniono na definicję opartą na stałej Plancka (problem szczegółowo opisuje Główny Urząd Miar - https://www.gum.gov.pl/pl/redefinicja-si/co-nowego-w-si/kilogram/3022,Przywitaj-nowy-kilogram.html).

Przewagą komputera kwantowego nad klasycznym komputerem jest kubit (bit kwantowy). Tradycyjny komputer działa w oparciu o bity, które przyjmują wartości 1 lub 0. Komputery kwantowe przyjmują oba te stany jednocześnie, dzięki czemu nie wykonują operacji jedna po drugiej, umożliwiając wykonywanie zdecydowanie szybszych obliczeń.  

Pod koniec 2019 roku korporacja Google w czasopiśmie „Nature” z dumą ogłosiła, że dzięki swojemu 54-kubitowemu komputerowi kwantowemu  wykonała pierwszy krok ku wprowadzeniu ludzkości do „ery kwantowej”. Inżynierowie Google stwierdzili, że przeprowadzili skomplikowane obliczenia (które najszybszemu superkomputerowi zajęłyby 10 tysięcy lat) w zaledwie 3 minuty dzięki swojemu komputerowi kwantowemu Google “BRISTLECONE”. Swój sukces okrzyknęli pierwszym osiągnięciem „kwantowej przewagi”.

Według inżynierów, naukowców, programistów komputery kwantowe znajdą zastosowanie w inżynierii w dziedzinach związanych z optymalizacją, uczeniem maszynowym czy symulacjami. Już dzisiaj firma D-Wave udostępnia jeden ze swoich komputerów kwantowych w chmurze, w której można przeprowadzić testy obliczeniowe. Wykorzystanie komputera wiąże się z użyciem odpowiedniego oprogramowania i nakłada szereg technologicznych ograniczeń, jednak przy odrobinie pracy jest to możliwe (tu można spróbować swoich sił: https://ocean.dwavesys.com/).

Zakłada się, że wykonywanie obliczeń numerycznych za pomocą komputerów kwantowych znacznie przyspieszy procesy związane z przeprowadzaniem symulacji, optymalizacji oraz w znacznym stopniu poszerzy zakresy prac, które będą mogły być wykonywane. Istotnym graniczeniem do powszechne stosowanie MES (oczywiście pomijając niezbędną wiedzę i doświadczenie użytkowników) jest moc obliczeniowa komputerów (jedynie wyspecjalizowane firmy np.: KOMES posiadają odpowiednie zaplecze sprzętowe pozwalające na przeprowadzanie symulacji z wykorzystaniem MES dla złożonych modeli). Za kilkadziesiąt lat ograniczenia sprzętowe najprawdopodobniej nie będą stanowiły problemu, ponieważ użytkownicy będą pracowali z wykorzystaniem chmury obliczeniowej (np.: D-Wave).

Jednak czy komputery kwantowe w najbliższym czasie przewrócą nasze życie do góry nogami?

Najprawdopodobniej nie. Sama technologia jest na początkowych etapach rozwoju. Ilość kubitów, które dostarczają obecne komputery nie wystarczają do optymalnej pracy. Same założenia mechaniki kwantowej i jej stochastyczna natura wymuszają wielokrotne wykonywanie obliczeń, aby osiągnięte rozwiązania były optymalne i co najważniejsze wiarygodne. Środowisko pracy procesorów kubitowych jest bardzo wymagające. Procesory te potrzebują wysokiej próżni i bardzo niskich temperatur (w granicach zera bezwzględnego). Ponadto są bardzo czułe na wszelkie oddziaływania zewnętrzne – drgania, wahania temperatur czy nawet szumy elektromagnetyczne, które mogą prowadzić do zakłócenia wyników. Uczciwie trzeba przyznać, że na razie technologia kwantowa jest dziedziną niszową, w którą inwestują tylko największe globalne korporacje (dostępne komputery kwantowe: Google “BRISTLECONE”, IBM Q SYSTEM ONE 20, D-Wave -2000Q, Intel “Tangle Lake”). Branża zmaga się z brakiem firm zajmującej się dystrybucją elementów takich jak: okablowanie wykonane z nadprzewodzących materiałów przesyłających impulsy mikrofalowe czy chłodzenie umożliwiające osiągnięcie granicy zera bezwzględnego. Najprawdopodobniej rynek części rozwinie się dopiero po pierwszym skutecznym komercyjnym wykorzystaniu komputera kwantowego.

Nie wiemy co przyniesie nam przyszłość, jednak pewnym jest, że jako ludzkość zawsze będziemy dążyć do rozwoju.