8 aplikací a příkladů kvantové výpočetní techniky

Kvantová výpočetní technika se pomalu, ale jistě připravuje na svou premiéru.

Google se v říjnu dostal na titulní stránky novin, když oznámil, že dosáhl dlouho očekávaného průlomu „kvantové nadřazenosti“. To je situace, kdy kvantový počítač dokáže provést úlohu, kterou běžný počítač nedokáže. Alespoň ne v praktickém čase. Google například tvrdil, že testovací úkol, který provedl, by klasickému počítači zabral tisíce let – i když někteří kritici a konkurenti to označili za silně přehnané.

Například společnost IBM si to nenechala líbit. Druhý velký hráč na kvantovém poli okamžitě zveřejnil odpověď, ve které v podstatě tvrdil, že Google podcenil sílu superpočítačů IBM – které jsou sice bleskově rychlé, ale nepatří mezi kvantové počítače.

Tech giant head-butting aside, Google’s achievement was a genuine milestone — one that further established quantum computing in the broader consciousness and prompted more people to wonder, What will these things actually do?

But even once quantum computing reigns supreme, its potential impact remains largely theoretical — hence the hedging throughout in this article. That’s more a reflection, though, of QC’s still-fledgling status than unfulfilled promise.

Before commercial-scale quantum computing is a thing, however, researchers must clear some major hurdles. Hlavní z nich je zvýšení počtu qubitů, jednotek informace, které kvantové počítače používají k provádění úloh. Zatímco „bity“ klasických počítačů existují jako 1 nebo 0, qubity mohou být obojí – nebo obojí současně. To je klíčem k masivně vyšším rychlostem zpracování, které jsou nezbytné pro simulaci kvantové mechaniky na molekulární úrovni.

Přes stále ještě hypotetickou povahu kvant a dlouhou cestu, která je před námi, se množí předpovědi a investice. Generální ředitel společnosti Google Sundar Pichai přirovnal nedávný proof-of-concept pokrok své společnosti k 12sekundovému letu bratří Wrightů: ačkoli byl velmi základní a krátkodobý, ukázal, co je možné. A to, co je možné, je podle odborníků vskutku působivé.

Od kybernetické bezpečnosti přes farmaceutický výzkum až po finance – zde je několik způsobů, jak kvantová technologie usnadní významný pokrok.

Post-Quantum

Místo: Londýn

Jak využívá kvantové výpočty: Pro kandidáta na prezidenta Andrewa Yanga znamená kvantový milník společnosti Google, že „žádný kód není nerozluštitelný“. Narážel tím na hojně diskutovanou představu, že bezprecedentní faktorizační síla kvantových počítačů vážně naruší běžné internetové šifrovací systémy.

Zařízení společnosti Google (stejně jako všechna současná zařízení QC) je však příliš náchylné k chybám, než aby představovalo bezprostřední hrozbu pro kybernetickou bezpečnost, jak naznačoval Yang. Ve skutečnosti podle teoretického počítačového vědce Scotta Aaronsona takový stroj ještě nějakou dobu existovat nebude. Hrozící nebezpečí je však vážné. A léta trvající snaha o vytvoření kvantově odolných algoritmů – například probíhající soutěž Národního institutu pro standardy a technologie o vytvoření takových modelů – ukazuje, jak vážně bezpečnostní komunita tuto hrozbu bere.

Jeden z pouhých 26 takzvaných postkvantových algoritmů, které se dostaly do „semifinále“ NIST, pochází, jak se sluší a patří, od britského lídra v oblasti kybernetické bezpečnosti Post-Quantum. Podle odborníků je pečlivý a promyšlený proces, jehož příkladem je projekt NIST, přesně tím, co bezpečnost zaměřená na kvantovou technologii potřebuje. Jak řekla Dr. Deborah Frankeová z Národní bezpečnostní agentury pro Nextgov: „Existují dva způsoby, jak můžete udělat chybu s kvantově odolným šifrováním:

ProteinQure

Místo: Toronto

Jak využívá kvantové výpočty: „Skutečné vzrušení z kvantové technologie spočívá v tom, že vesmír v podstatě funguje kvantovým způsobem, takže budete moci lépe porozumět přírodě,“ řekl Pichai ze společnosti Google v rozhovoru pro MIT Technology Review v souvislosti s nedávným oznámením jeho společnosti. „Je to teprve začátek, ale v čem kvantová mechanika září, je schopnost simulovat molekuly, molekulární procesy, a myslím, že právě v tom bude nejsilnější. Skvělým příkladem je objevování léků.“

Jednou ze společností, která zaměřuje výpočetní sílu na simulaci molekul, konkrétně chování proteinů, je torontský biotechnologický startup ProteinQure. Společnost, která nedávno získala 4 miliony dolarů z počátečního financování, spolupracuje s lídry v oblasti kvantových výpočtů (IBM, Microsoft a Rigetti Computing) a farmaceutickými výzkumnými společnostmi (SRI International, AstraZeneca), aby prozkoumala potenciál QC při modelování proteinů.

To je hluboce složitá, ale vysoce výnosná cesta vývoje léků, při níž jsou proteiny upravovány pro cílené lékařské účely. Je sice výrazně přesnější než stará škola metodou pokus-omyl, kdy se provádějí chemické experimenty, ale z výpočetního hlediska je neskonale náročnější. Jak poznamenala společnost Boston Consulting Group, pouhé modelování molekuly penicilinu by vyžadovalo neskutečně velký klasický počítač s bity o velikosti 10 ku 86. mocnině. Pro pokročilé kvantové počítače by však stejný proces mohl být hračkou – a mohl by vést k objevu nových léků na závažné nemoci, jako je rakovina, Alzheimerova choroba a srdeční choroby.

Další významnou společností, která zkoumá možnosti kvantových počítačů pro vývoj léků, je společnost Biogen se sídlem v Cambridge ve státě Massachusetts. Tato biotechnologická firma, která se zaměřuje na výzkum neurologických onemocnění, oznámila v roce 2017 partnerství s kvantovým startupem 1QBit a společností Accenture.

Související20 společností zabývajících se kvantovou výpočetní technikou, které dosahují průlomových objevů

Daimler AG

Místo: Stuttgart, Německo

Jak využívá kvantovou výpočetní techniku: Potenciál kvantových počítačů simulovat kvantovou mechaniku by mohl být stejně transformační i v jiných oblastech souvisejících s chemií, než je vývoj léčiv. Například automobilový průmysl chce tuto technologii využít k výrobě lepších autobaterií.

V roce 2018 oznámil německý výrobce automobilů Daimler AG (mateřská společnost Mercedes-Benz) dvě různá partnerství s kvantovými výpočetními kapacitami Google a IBM. Elektromobily jsou „založeny především na dobře fungující chemii článků baterií,“ napsala tehdy společnost ve svém časopise. Dodala, že kvantové výpočty vzbuzují „oprávněnou naději“ na „první výsledky“ v oblastech, jako je buněčná simulace a stárnutí bateriových článků. Vylepšené baterie pro elektromobily by mohly přispět k většímu rozšíření těchto vozidel.

Daimler také zkoumá, jak by QC mohl potenciálně posílit umělou inteligenci, a navíc zvládnout budoucnost dopravy řízené autonomními vozidly a urychlit její logistiku. Jde tak ve stopách další významné teutonské dopravní značky: Volkswagen. V roce 2017 automobilka oznámila partnerství se společností Google zaměřené na podobné iniciativy. V roce 2018 se spojila také se společností D-Wave Systems.

Volkswagen Group

Místo: Wolfsburg, Německo

Jak využívá kvantové výpočty: Zkoumání optimalizace ve společnosti Volkswagen přináší bod, který stojí za zdůraznění:

Příklad problém „obchodního cestujícího“ je jedním z nejznámějších ve výpočetní technice. Jeho cílem je určit nejkratší možnou trasu mezi několika městy, přičemž do každého města se jednou zajede a vrátí se do výchozího bodu. Je známý jako optimalizační problém a pro klasický počítač je neuvěřitelně obtížný. Pro plně realizované QC by to však mohla být hračka.

D-Wave a VW již spustily pilotní programy pro řadu optimalizačních úkolů souvisejících s dopravou a cestováním, včetně zefektivnění dopravních toků v Pekingu, Barceloně a právě tento měsíc v Lisabonu. V posledním případě jezdila flotila autobusů po odlišných trasách, které byly přizpůsobeny dopravním podmínkám v reálném čase pomocí kvantového algoritmu, který VW po každém zkušebním provozu nadále vylepšuje. Podle generálního ředitele společnosti D-Wave Verna Brownella nás pilotní projekt „přibližuje k realizaci skutečných, praktických kvantových výpočtů jako nikdy předtím“.

JPMorgan Chase

Místo: NYC

Jak využívá kvantové výpočty: V seznamu partnerů, kteří tvoří takzvanou kvantovou síť Microsoftu, je řada výzkumných univerzit a technických zařízení zaměřených na kvantovou technologii, ale jen velmi málo firemních poboček. Dva z pěti – NatWest a Willis Towers Watson – jsou však bankovní zájmy. Podobně v síti Q Network společnosti IBM vyniká mezi mořem technicky zaměřených členů i vládních a vysokoškolských výzkumných institucí společnost JPMorgan Chase.

To, že by nesmírně ziskové společnosti poskytující finanční služby chtěly využít technologie měnící paradigma, je sotva šokující, ale kvantové a finanční modelování se díky strukturálním podobnostem skutečně přirozeně hodí. Jak loni napsala skupina evropských výzkumníků, „celý finanční trh lze modelovat jako kvantový proces, kde se přirozeně objevují veličiny důležité pro finance, jako je kovarianční matice.“

Mnoho nedávných výzkumů se zaměřilo právě na potenciál kvantové technologie výrazně zrychlit takzvaný model Monte Carlo, který v podstatě měří pravděpodobnost různých výsledků a jim odpovídající rizika. Článek z roku 2019, který společně napsali výzkumníci IBM a členové týmu kvantitativního výzkumu společnosti JPMorgan, zahrnoval metodiku oceňování opčních kontraktů pomocí kvantového počítače.

Odhlédneme-li od jeho zdánlivě jasného uplatnění při vyhodnocování rizik, kvantum ve financích by mohlo mít širokou budoucnost. „Kdybychom ho měli dnes, co bychom dělali?“ – „Kdybychom ho měli dnes, co bychom dělali? Nikitas Stamatopoulos, spoluautor článku o ceně opcí, si položil otázku. „Odpověď dnes není příliš jasná.“

Microsoft

Místo: Redmond, Wash.

Jak využívá kvantové výpočty: Svět má problém s hnojivy, který přesahuje nadbytek hovínek. Velká část hnojiv na naší planetě se vyrábí zahříváním a stlačováním atmosférického dusíku na čpavek, což je proces, jehož průkopníkem byl na počátku 20. století německý chemik Fritz Haber.

Tzv. haberovský proces je sice revoluční, ale ukázalo se, že je poměrně energeticky náročný: přibližně tři procenta celosvětové roční produkce energie jdou na provoz Haberu, což představuje více než jedno procento emisí skleníkových plynů. Ještě šílenější je, že některé bakterie tento proces provádějí přirozeně – my prostě netušíme jak, a proto ho nemůžeme využít.

S vhodným kvantovým počítačem bychom však pravděpodobně mohli přijít na to, jak – a tím výrazně ušetřit energii. V roce 2017 vědci ze společnosti Microsoft izolovali molekulu kofaktoru, která je k simulaci nezbytná. A to se jim podaří hned, jakmile bude mít kvantový hardware dostatečný počet qubitů a stabilizaci šumu. Generální ředitel společnosti Google nedávno řekl MIT, že si myslí, že kvantové vylepšení Habera je vzdáleno zhruba deset let.

IBM

Místo: Armonk, New York

Jak využívá kvantové výpočty: Nedávný výzkum, který zjišťoval, zda by kvantová výpočetní technika mohla výrazně zlepšit předpovídání počasí, ukázal, že… je to téma, které stojí za to prozkoumat! A přestože tomuto vztahu zatím příliš nerozumíme, mnozí z oboru QC jej považují za pozoruhodný případ využití.

Ray Johnson, bývalý technický ředitel společnosti Lockheed Martin a nyní nezávislý ředitel kvantového startupu Rigetti Computing, patří k těm, kteří naznačili, že metoda simultánních (nikoliv sekvenčních) výpočtů kvantových počítačů bude pravděpodobně úspěšná při „analýze velmi, velmi složitého systému proměnných, kterým je počasí“. S tímto názorem se ztotožnil i futurista Bernard Marr.

Ačkoli v současné době používáme k modelování předpovědí počasí s vysokým rozlišením jedny z nejvýkonnějších superpočítačů na světě, přesné numerické předpovědi počasí jsou notoricky známé. Ve skutečnosti to pravděpodobně není tak dlouho, co jste proklínali meteorologa, který se netrefil do černého.

Rigetti Computing

Místo: Berkeley, Kalifornie

Jak využívá kvantové výpočty: Kvantové výpočty a umělá inteligence se mohou ukázat jako vzájemné zpětné škrabance. Jak nedávno vysvětlil VentureBeat, pokrok v hlubokém učení pravděpodobně zvýší naše chápání kvantové mechaniky a zároveň by plně realizované kvantové počítače mohly daleko předčit ty konvenční v rozpoznávání datových vzorů. Pokud jde o druhou možnost, kvantový výzkumný tým IBM nedávno zjistil, že propletení qubitů na kvantovém počítači, který prováděl experiment s klasifikací dat, snížilo chybovost na polovinu ve srovnání s nepropletenými qubity.

„To naznačuje,“ píše se v eseji v časopise MIT Technology Review, „že s tím, jak se kvantové počítače zlepšují ve využívání qubitů a jejich entanglování, budou také lépe řešit problémy strojového učení.“

Výzkum IBM přišel v návaznosti na další slibný klasifikační algoritmus pro strojové učení: kvantově-klasický hybrid provozovaný na 19qubitovém stroji postaveném společností Rigetti Computing.

„Využití má potenciál urychlit nebo jinak zlepšit strojové učení ve srovnání s čistě klasickým výkonem,“ napsali výzkumníci společnosti Rigetti. Hybridizace klasických výpočtů a kvantových procesorů překonala „klíčovou výzvu“ při realizaci tohoto cíle, vysvětlili.

Obojí je důležitým krokem ke konečnému cíli, kterým je výrazné zrychlení umělé inteligence pomocí kvantových výpočtů. Což by mohlo znamenat virtuální asistenty, kteří vám napoprvé porozumí. Nebo postavy z videoher neovládané hráči, které se chovají hyperrealisticky. Potenciálních pokroků je celá řada.

„I think AI can accelerate quantum computing,“ Google’s Pichai said, „and quantum computing can accelerate AI.“

RelatedQuantum Computers Will Transform How We Make & Play Video Games