Co jsou kvantové výpočty? Běžné počítače pracují podle přísných logických pravidel. Ale malé kvantové objekty – například elektrony nebo fotony světla – mohou tato pravidla porušovat
Kvantová výpočetní technika je myšlenka, že toto porušování kvantových pravidel můžeme využít ke zpracování informací novým způsobem – způsobem, který je zcela odlišný od fungování běžných počítačů. Díky tomu jsou v některých případech exponenciálně rychlejší než jakýkoli běžný počítač.
Například jeden kvantový počítač by mohl snadno prolomit kódy, které zajišťují bezpečnost internetového bankovnictví.
Takže něco jako superpočítač?
Ne tak docela. Kvantový počítač není jen „rychlejší“ počítač. Existuje několik specifických úloh – například faktorizace velmi velkých čísel – ve kterých by byl kvantový počítač úžasný. (Zde přichází na řadu lámání kódů – viz níže.) Ale pro většinu úloh by byl kvantový počítač jen o málo lepší než běžný počítač.
K čemu by tedy mohl kvantový počítač sloužit?
Pravděpodobně bude nejužitečnější pro vládní agentury, výzkumné a vývojové společnosti a univerzity při řešení problémů, se kterými mají současné počítače potíže.
První praktický nápad, který navrhl fyzik Richard Feynman v roce 1981, bylo použít kvantový počítač k simulaci kvantové mechaniky. To by mělo dopad na chemii a biologii. Chemici by například mohli přesně modelovat interakce léčiv a biologové by mohli studovat všechny možné způsoby, jak se mohou proteiny skládat a vzájemně na sebe působit.
Zatímco kdysi byly kvantové počítače akademickou kuriozitou, zájem o ně explodoval v roce 1994, kdy americký matematik Peter Shor našel způsob, jak využít kvantové počítače k prolamování kódů.
V současné době funguje mnoho online bezpečnostních systémů na principu, že je téměř nemožné vzít velmi velké číslo a zjistit, jaké jsou jeho prvočinitele. Jediné, co může běžný počítač udělat, je vyzkoušet všechny možnosti jednu po druhé – což je úkol, který může trvat miliardy let. Pomocí Shorova algoritmu by kvantový počítač mohl tuto úlohu zvládnout za několik hodin.
Kvantové počítače by také mohly fantasticky rozpoznávat vzory v datech – což je užitečné pro problémy strojového učení, například schopnost identifikovat různé objekty na obrázku. Mohly by být skvělé při vytváření modelů pro předpovídání budoucnosti, například při dlouhodobé předpovědi počasí.
V konečném důsledku je však využití kvantových počítačů nepředvídatelné. Vezměte si, že v roce 1943 Thomas Watson, prezident společnosti IBM, řekl: „Myslím, že na světovém trhu je možná pět počítačů“. Nyní jich je pět v každé domácnosti.
Jestliže je precedens vodítkem, musíme si teprve představit, jaké bude využití kvantových počítačů.
Jak kvantové počítače fungují?
Obvyklé počítače jsou založeny na „bitech“ – představte si je jako malé přepínače směřující buď k 1, nebo k 0. Kvantové počítače jsou založeny na bitech.
Kvantové počítače se opírají o kvantové bity neboli „qubity“, které mohou také reprezentovat 0 nebo 1. Bláznivé je, že qubity mohou také dosáhnout smíšeného stavu, tzv. superpozice, kdy jsou současně 1 i 0. V tomto případě se jedná o kvantové bity. Tato nejednoznačnost – schopnost „být“ i „nebýt“ – je klíčem k síle kvantových počítačů.
Jak pomáhá superpozice?
Rozdíl mezi běžnými počítači a kvantovými počítači spočívá v tom, jak přistupují k problému.
Běžný počítač se snaží vyřešit problém stejným způsobem, jakým se můžete pokusit uniknout z bludiště – vyzkoušíte všechny možné chodby, budete se vracet do slepých uliček, dokud nakonec nenajdete cestu ven. Superpozice však kvantovému počítači umožňuje vyzkoušet všechny cesty najednou – v podstatě najít zkratku.
Dva bity v počítači mohou být ve čtyřech možných stavech (00, 01, 10 nebo 11), ale vždy jen v jednom z nich. To omezuje počítač na zpracování jednoho vstupu najednou (podobně jako vyzkoušení jedné chodby v bludišti).
V kvantovém počítači mohou dva qubity také reprezentovat přesně stejné čtyři stavy (00, 01, 10 nebo 11). Rozdíl je v tom, že díky superpozici mohou qubity reprezentovat všechny čtyři současně. To je trochu podobné, jako kdyby vedle sebe běžely čtyři běžné počítače.
Pokud do běžného počítače přidáte více bitů, stále se může zabývat pouze jedním stavem najednou. S přidáváním qubitů však výkon kvantového počítače exponenciálně roste. Pro matematiky můžeme říci, že pokud máte „n“ qubitů, můžete současně reprezentovat 2n stavů.
Je to jako v té staré pohádce o starém Indovi, který se jmenoval Sessa a který vynalezl šachy. Král byl hrou nadšen a požádal Sessu, aby mu jmenoval odměnu. Sessa pokorně požádal o jedinou šachovnici s jedním zrnkem pšenice na prvním políčku, dvěma na druhém, čtyřmi na třetím atd. Král okamžitě souhlasil, aniž by si uvědomil, že slíbil pryč více pšenice, než kolik jí na Zemi existuje. To je síla exponenciálního růstu.
Stejně jako každé políčko zdvojnásobilo Sessovu pšenici, každý další qubit zdvojnásobuje výpočetní výkon. Tři qubity vám dají 23, což je osm stavů najednou; čtyři qubity vám dají 24, což je šestnáct. A 64 qubitů? Dají vám 264, což je 18 446 744 073 709 600 000 možností! To je hodnota asi jednoho milionu terabytů.
Přestože 64 běžných bitů může také reprezentovat tento obrovský počet (264) stavů, může reprezentovat vždy jen jeden z nich. Projít všechny tyto kombinace cyklicky rychlostí dvě miliardy za sekundu (což je typická rychlost moderního počítače) by trvalo asi 400 let.
To vše znamená, že kvantové počítače by mohly řešit problémy, které jsou pro klasické počítače „prakticky nemožné“.
Aby však bylo možné dosáhnout tohoto exponenciálního zrychlení, musí být osudy všech qubitů propojeny v procesu zvaném kvantové provázání. Tento zvláštní jev, který Einstein nazval „strašidelné působení na dálku“, dokáže propojit kvantové částice, i když se nacházejí na opačných koncích vesmíru.
Co tvoří qubit?
K vytvoření qubitu potřebujete objekt, který může dosáhnout stavu kvantové superpozice mezi dvěma stavy.
Jedním druhem qubitu je atomové jádro. Směr jeho magnetického momentu (jeho „spin“) může směřovat různými směry, například nahoru nebo dolů vzhledem k magnetickému poli.
Problém spočívá v umístění a následném oslovení tohoto jediného atomu.
Australský tým vedený Michelle Simmonsovou z Univerzity v Novém Jižním Walesu vytvořil atomový qubit umístěním jediného atomu fosforu na známé místo uvnitř krystalu křemíku.
Dalším nápadem je odebrat atomu elektron a přeměnit jej na iont. Pak lze pomocí elektromagnetického pole zavěsit iont ve volném prostoru a vypálením laseru na něj změnit jeho stav. Vznikne tak kvantový počítač „uvězněného iontu“.
Proud ve smyčce supravodivého kovu může být také v superpozici (mezi směrem a proti směru hodinových ručiček), trochu jako malý běžecký pás, který běží současně dopředu i dozadu.
Foton světla může být v superpozici ve směru, kterým se vlní. Některé skupiny sestavují kvantové obvody tak, že posílají fotony kolem bludiště optických vláken a zrcadel.
Jak se superpozice vytváří?
Zkoušeli jste někdy vyvážit minci přesně na její hraně? Přesně tak vypadá programování qubitu. Jde o to udělat něco s qubitem tak, aby byl nakonec v jistém smyslu „vyvážen“ mezi jednotlivými stavy.
V případě atomového jádra to může být tak, že do něj zapálíte elektrické nebo magnetické pole a necháte ho se stejnou pravděpodobností rotovat jedním nebo druhým směrem.
Jak tedy z qubitů čtete informace?
To, co se děje během kvantového výpočtu, má mystickou auru. Vzdálenější fyzikové popisují qubity jako účastníky jakési kvantové seance s paralelními světy, aby se dozvěděli odpověď.
Ale není to magie, je to jen kvantová mechanika.
Řekněme, že jste zprovoznili svůj nový 64qubitový kvantový počítač pro jeho první výpočet. Všech 64 qubitů umístíte do superpozice, stejně jako 64 mincí vyrovnaných na hraně. Dohromady udržují 264 možných stavů v limbu. Víte, že jeden z těchto stavů představuje správnou odpověď. Ale který?“
Problém je v tom, že čtení qubitů způsobí kolaps superpozice – jako když bouchnete pěstí do stolu se všemi těmi vyváženými mincemi.
Tady se hodí kvantový algoritmus, jako je Shorův. Ten načte qubity tak, aby s větší pravděpodobností padly na správnou stranu a daly nám správnou odpověď.
Jsou již nějaké kvantové počítače postaveny?
Zřejmě ano, i když žádný z nich zatím nedokáže nic, co by překonalo konvenční počítače.
V posledních třech letech došlo v oblasti kvantových počítačů k dramatickému pokroku. Zatímco v roce 2016 časopis Nature oslavoval devítikubitový počítač vyvinutý výzkumníky společnosti Google. O osmnáct měsíců později, v prosinci 2017, oznámila společnost IBM svůj 50 qubitový kvantový počítač. Během čtyř měsíců Google opět vyrazil vpřed se svým 72 qubitovým kvantovým počítačem „Bristlecone“. Mezitím IBM vyrobila první komerčně dostupný kvantový počítač – za určitý poplatek poskytla cloudový přístup ke svému 20 qubitovému stroji Q System One.
D-Wave je stále daleko vpředu se svým vytvořením pomocí 2000 supravodivých smyček jako qubitů, i když někteří fyzici jsou skeptičtí k tomu, že D-Wave postavil skutečný kvantový počítač.
Všichni velcí hráči mají v hledáčku další významný milník: Kvantová nadřazenost“. To znamená, když kvantový počítač vyřeší problém přesahující možnosti klasických strojů. Teoreticky by toho měl být schopen stroj s 50 qubity, ale pouze pokud bude chybovost dostatečně nízká.
Proč je tak obtížné postavit kvantový počítač?
Problémy se objevují na všech úrovních, od sestavení qubitů, přes čtení a zápis informací na nich až po přenos informací tam a zpět, aniž by zmizely v oblaku neurčitosti.
Kvantový počítač je dokonalý div. Zatímco hollywoodská hvězda může požadovat obří šatnu a vanu plnou okvětních lístků růží, qubit vyžaduje dokonalou izolaci a termostat nastavený na setinu stupně nad absolutní nulou. Sebemenší vibrace blízkého atomu může způsobit, že qubit dostane kvantový záchvat a ztratí svou superpozici.
Převažujícím problémem je, jak udržet křehké stavy superpozice a provázanosti dostatečně dlouho na to, aby mohl proběhnout výpočet – takzvaná doba koherence.
Přes tuto skličující výzvu se závod o sestrojení prvního praktického kvantového počítače stal jednou z velkých vědeckých výzev naší doby – podílejí se na něm tisíce fyziků a inženýrů v desítkách výzkumných ústavů roztroušených po celém světě.
Přestože se jedná o velkou výzvu, závod o sestrojení prvního praktického kvantového počítače se stal jednou z největších vědeckých výzev naší doby.