Koncem října loňského roku společnost Google oznámila, že jeden z těchto čipů s názvem Sycamore jako první prokázal „kvantovou nadřazenost“ a provedl úkol, který by byl na klasickém stroji prakticky nemožný. S pouhými 53 qubity provedl Sycamore během několika minut výpočet, který by podle Googlu trval nejvýkonnějšímu stávajícímu superpočítači na světě, Summitu, 10 000 let. Google to označil za zásadní průlom a přirovnal to k vypuštění Sputniku nebo prvnímu letu bratří Wrightů – k prahu nové éry strojů, vedle kterých by dnešní nejsilnější počítače vypadaly jako počítadlo.
Na tiskové konferenci v laboratoři v Santa Barbaře tým Googlu téměř tři hodiny vesele zodpovídal otázky novinářů. Jejich dobrá nálada však nedokázala zakrýt skryté napětí. Dva dny předtím výzkumníci z IBM, předního konkurenta Googlu v oblasti kvantových počítačů, torpédovali jeho velké odhalení. Zveřejnili článek, který v podstatě obvinil Googlery z toho, že špatně počítají. IBM se domnívala, že zopakování toho, co dokázal Sycamore, by Summitu trvalo pouhé dny, nikoliv tisíciletí. Když se Hartmuta Nevena, vedoucího týmu Googlu, zeptali, co si o výsledku IBM myslí, vyhnul se přímé odpovědi.
Mohli byste to odmítnout jako pouhou akademickou roztržku – a v jistém smyslu to tak bylo. I kdyby měla IBM pravdu, Sycamore stejně provedl výpočet tisíckrát rychleji, než by to udělal Summit. A pravděpodobně by trvalo jen několik měsíců, než by Google sestrojil o něco větší kvantový stroj, který by to nade vší pochybnost prokázal.
Hlubší námitka IBM však nespočívala v tom, že by experiment Googlu byl méně úspěšný, než se tvrdilo, ale v tom, že šlo v první řadě o nesmyslný test. Na rozdíl od většiny světa kvantových počítačů si IBM nemyslí, že „kvantová nadvláda“ je okamžikem bratří Wrightů; vlastně ani nevěří, že takový okamžik nastane.
IBM se místo toho honí za zcela jiným měřítkem úspěchu, za něčím, co nazývá „kvantovou výhodou“. Nejedná se o pouhý slovní nebo dokonce vědecký rozdíl, ale o filozofický postoj, který má kořeny v historii, kultuře a ambicích společnosti IBM – a možná i ve skutečnosti, že již osm let její tržby a zisk téměř nepřetržitě klesají, zatímco společnosti Google a její mateřské společnosti Alphabet jejich čísla pouze rostou. Tento kontext a tyto rozdílné cíle by mohly ovlivnit, kdo – pokud některý z nich – zvítězí v závodě o kvantovou výpočetní techniku.
Odlišné světy
Elegantní, rozmáchlé křivky výzkumného centra IBM Thomase J. Watsona na předměstí severně od New Yorku, neofuturistického mistrovského díla finského architekta Eera Saarinena, jsou o kontinent a vesmír jinde než nevýrazné prostory týmu Google. Byl dokončen v roce 1961 za peníze, které IBM vydělala na mainframech, a působí jako muzeum, které každému, kdo v něm pracuje, připomíná průlomové objevy společnosti ve všech oblastech, od fraktální geometrie přes supravodiče až po umělou inteligenci – a kvantovou výpočetní techniku.
Šéfem výzkumné divize se 4 000 zaměstnanci je Dario Gil, Španěl, jehož rychlá řeč se předhání v jeho téměř evangelickém zápalu. V obou případech, kdy jsem s ním mluvil, chrlil historické milníky, které měly zdůraznit, jak dlouho se IBM zabývá výzkumem souvisejícím s kvantovými počítači (viz časová osa vpravo).
Velký experiment: Kvantová teorie a praxe
Základním stavebním prvkem kvantového počítače je kvantový bit neboli qubit. V klasickém počítači může bit uchovávat buď 0, nebo 1. Qubit může uchovávat nejen 0 nebo 1, ale také mezistav zvaný superpozice – který může nabývat mnoha různých hodnot. Jednou z analogií je, že kdyby informace byla barva, pak by klasický bit mohl být buď černý, nebo bílý. Když je qubit v superpozici, může mít jakoukoli barvu ve spektru a může se také lišit v jasu.
Výsledkem je, že qubit může uchovávat a zpracovávat obrovské množství informací ve srovnání s bitem – a kapacita se exponenciálně zvyšuje, když qubity spojujete dohromady. Uložení všech informací v 53 qubitech na čipu Sycamore společnosti Google by zabralo asi 72 petabajtů (72 miliard gigabajtů) klasické počítačové paměti. Nepotřebujete o mnoho více qubitů, než byste potřebovali klasický počítač o velikosti planety.
Není to však jednoduché. Křehké a snadno narušitelné qubity musí být téměř dokonale izolovány od tepla, vibrací a zbloudilých atomů – odtud „lustrové“ lednice v kvantové laboratoři společnosti Google. I tak mohou fungovat nanejvýš několik stovek mikrosekund, než se „dekódují“ a ztratí svou superpozici.
A kvantové počítače nejsou vždy rychlejší než klasické. Jsou prostě jiné, v některých věcech rychlejší a v jiných pomalejší a vyžadují jiný druh softwaru. Chcete-li porovnat jejich výkon, musíte napsat klasický program, který přibližně simuluje ten kvantový.
Pro svůj experiment si společnost Google vybrala srovnávací test nazvaný „náhodné vzorkování kvantových obvodů“. Ten generuje miliony náhodných čísel, ale s mírnými statistickými odchylkami, které jsou charakteristickým znakem kvantového algoritmu. Kdyby byl Sycamore kapesní kalkulačkou, jednalo by se o ekvivalent náhodného mačkání tlačítek a kontroly, zda se na displeji zobrazují očekávané výsledky.
Google simuloval některé jeho části na svých vlastních masivních serverových farmách a také na Summitu, největším superpočítači na světě, v Oak Ridge National Laboratory. Výzkumníci odhadli, že dokončení celé úlohy, která Sycamoru zabrala 200 sekund, by Summitu trvalo přibližně 10 000 let. Voilà: kvantové prvenství.
Co tedy IBM namítala? V podstatě to, že existují různé způsoby, jak přimět klasický počítač k simulaci kvantového stroje – a že software, který napíšete, způsob, jakým nasekáte data a uložíte je, a použitý hardware, to vše má velký vliv na to, jak rychle může simulace běžet. IBM uvedla, že Google předpokládal, že simulaci bude třeba rozsekat na mnoho kousků, ale Summit s 280 petabajty paměti je dostatečně velký na to, aby pojal kompletní stav Sycamoru najednou. (A IBM Summit postavila, takže by to měla vědět.)
V průběhu desetiletí si však společnost získala pověst firmy, která se snaží proměnit své výzkumné projekty v komerční úspěchy. Naposledy například Watson, umělá inteligence hrající Jeopardy!, kterou se IBM snažila přeměnit na robotického lékařského guru. Měl poskytovat diagnózy a identifikovat trendy v oceánech lékařských dat, ale navzdory desítkám partnerství s poskytovateli zdravotní péče se objevilo jen málo komerčních aplikací, a i ty, které se objevily, přinesly smíšené výsledky.
Tým kvantových počítačů se podle Gilova vyprávění snaží tento cyklus prolomit tím, že provádí výzkum a obchodní vývoj souběžně. Téměř ihned, jakmile měl funkční kvantové počítače, začal je zpřístupňovat externistům tím, že je umístil do cloudu, kde je lze programovat pomocí jednoduchého rozhraní drag-and-drop, které funguje ve webovém prohlížeči. „IBM Q Experience“, spuštěná v roce 2016, se nyní skládá z 15 veřejně dostupných kvantových počítačů o velikosti od pěti do 53 qubitů. Měsíčně je používá přibližně 12 000 lidí, od akademických výzkumníků až po školáky. Čas strávený na menších strojích je zdarma; IBM tvrdí, že už má více než 100 klientů, kteří platí (nechce říct kolik) za používání těch větších.
Žádné z těchto zařízení – ani žádný jiný kvantový počítač na světě, s výjimkou Sycamore od Googlu – zatím neprokázalo, že by dokázalo v čemkoli porazit klasický stroj. Pro IBM to však v tuto chvíli není podstatné. Zpřístupnění strojů online umožňuje společnosti zjistit, co by od nich mohli budoucí zákazníci potřebovat, a externím vývojářům softwaru umožňuje naučit se pro ně psát kód. To zase přispívá k jejich vývoji, takže další kvantové počítače budou lepší.
Tento cyklus je podle společnosti nejrychlejší cestou k takzvané kvantové výhodě, budoucnosti, v níž kvantové počítače nutně nenechají ty klasické v prachu, ale budou dělat některé užitečné věci o něco rychleji nebo efektivněji – dostatečně na to, aby se ekonomicky vyplatily. Zatímco kvantová převaha je jediný milník, kvantová výhoda je „kontinuum“, říkají IBMáci – postupně se rozšiřující svět možností.
Toto je tedy Gilova velká sjednocená teorie IBM: že kombinací svého dědictví, technických znalostí, mozkové kapacity jiných lidí a oddanosti obchodním klientům může vytvořit užitečné kvantové počítače dříve a lépe než kdokoli jiný.
V tomto pohledu na věc považuje IBM demonstraci kvantové nadřazenosti společnosti Google za „salónní trik“, říká Scott Aaronson, fyzik z Texaské univerzity v Austinu, který se podílel na kvantových algoritmech používaných společností Google. V nejlepším případě jde o efektní odvedení pozornosti od skutečné práce, kterou je třeba vykonat. V horším případě je to zavádějící, protože by to mohlo v lidech vzbudit dojem, že kvantové počítače mohou porazit ty klasické v čemkoli, a ne v jednom velmi úzkém úkolu. „‚Nadřazenost‘ je anglické slovo, které si veřejnost nebude moci špatně vyložit,“ říká Gil.
Google to samozřejmě vidí poněkud jinak.
Vstupte do začínajícího podniku
Google byl předčasně osmiletou společností, když se v roce 2006 začal zabývat kvantovými problémy, ale specializovanou kvantovou laboratoř vytvořil až v roce 2012 – ve stejném roce, kdy John Preskill, fyzik z Caltechu, vymyslel termín ‚kvantová nadřazenost‘.“
Vedoucím laboratoře je Hartmut Neven, německý počítačový vědec s impozantním vystupováním a zálibou v eleganci ve stylu Burning Man; jednou jsem ho viděl v chlupatém modrém kabátě a jindy v celostříbrném oblečení, ve kterém vypadal jako drsný astronaut. („Tyhle věci mi kupuje manželka,“ vysvětloval.) Zpočátku si Neven koupil stroj postavený externí firmou D-Wave a chvíli se na něm snažil dosáhnout kvantové nadvlády, ale bez úspěchu. Říká, že v roce 2014 přesvědčil Larryho Page, tehdejšího generálního ředitele společnosti Google, aby investoval do stavby kvantových počítačů, když mu slíbil, že se Google ujme Preskillovy výzvy: „Řekli jsme mu: ‚Poslouchej, Larry, za tři roky se vrátíme a položíme ti na stůl prototyp čipu, který dokáže spočítat alespoň problém, který je mimo schopnosti klasických strojů.“
Vzhledem k tomu, že IBM nemá kvantové zkušenosti, najal Google tým zvenčí, který vedl John Martinis, fyzik z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře. Martinis a jeho skupina již patřili k nejlepším tvůrcům kvantových počítačů na světě – podařilo se jim spojit dohromady až devět qubitů – a Nevenův slib Pageovi se jim zdál být důstojným cílem, o který by mohli usilovat.
Tříletá lhůta přišla a odešla, protože Martinisův tým se snažil vyrobit dostatečně velký a zároveň stabilní čip, který by splnil zadání. V roce 2018 Google vydal svůj dosud největší procesor Bristlecone. Se svými 72 qubity výrazně předstihl vše, co vyrobili jeho konkurenti, a Martinis předpověděl, že kvantového prvenství dosáhne ještě téhož roku. Několik členů týmu však souběžně pracovalo na jiné architektuře čipu, nazvané Sycamore, která nakonec dokázala zvládnout více s menším počtem qubitů. Proto to byl čip s 53 qubity – původně jich bylo 54, ale jeden z nich se porouchal – který nakonec loni na podzim prokázal prvenství.
Pro praktické účely je program použitý při této demonstraci prakticky nepoužitelný – generuje náhodná čísla, k čemuž kvantový počítač nepotřebujete. Generuje je však zvláštním způsobem, který by klasický počítač jen velmi těžko zopakoval, čímž vytvořil důkaz konceptu (viz protější strana).
Ptejte se pracovníků IBM, co si o tomto úspěchu myslí, a dočkáte se bolestných pohledů. „Nemám rád to slovo , a nelíbí se mi ani jeho důsledky,“ říká Jay Gambetta, opatrně mluvící Australan, který vede kvantový tým IBM. Problém podle něj spočívá v tom, že je prakticky nemožné předpovědět, zda bude nějaký kvantový výpočet pro klasický stroj obtížný, takže ukázat ho v jednom případě vám nepomůže najít další případy.
Všem, s nimiž jsem mluvil mimo IBM, toto odmítání považovat kvantovou převahu za významnou hraničí s prasáctvím. „Každý, kdo bude mít někdy komerčně relevantní nabídku – musí nejprve ukázat nadřazenost. Myslím, že to je prostě základní logika,“ říká Neven. Dokonce i Will Oliver, mírný fyzik z MIT, který je jedním z nejvyrovnanějších pozorovatelů tohoto sporu, říká: „Je velmi důležitým milníkem ukázat, že kvantový počítač překonává klasický počítač v nějakém úkolu, ať už je to cokoli.“
Kvantový skok
Ať už souhlasíte s postojem Googlu nebo IBM, další cíl je jasný, říká Oliver: postavit kvantový počítač, který dokáže dělat něco užitečného. Doufá, že takové stroje by jednoho dne mohly řešit problémy, které dnes vyžadují nesplnitelné množství hrubého výpočetního výkonu, jako je modelování složitých molekul, které by pomohlo objevit nové léky a materiály, nebo optimalizace dopravních toků ve městech v reálném čase s cílem snížit dopravní zácpy či dlouhodobé předpovědi počasí. (Časem by mohly být schopny prolomit kryptografické kódy, které se dnes používají k zabezpečení komunikace a finančních transakcí, i když v té době už bude většina světa pravděpodobně používat kryptografii odolnou vůči kvantům.) Potíž je v tom, že je téměř nemožné předpovědět, jaký bude první užitečný úkol nebo jak velký počítač bude k jeho provedení potřeba.
Tato nejistota souvisí s hardwarem i softwarem. Co se týče hardwaru, Google počítá s tím, že jeho současné návrhy čipů ho mohou dostat někam mezi 100 a 1 000 qubitů. Nicméně stejně jako výkon automobilu nezávisí pouze na velikosti motoru, ani výkon kvantového počítače není jednoduše určen počtem qubitů. Je třeba vzít v úvahu celou řadu dalších faktorů, včetně toho, jak dlouho je lze udržet před dekoherencí, jak jsou náchylné k chybám, jak rychle pracují a jak jsou vzájemně propojeny. To znamená, že každý dnes fungující kvantový počítač dosahuje jen zlomku svého plného potenciálu.
Software pro kvantové počítače je mezitím stejně v plenkách jako samotné stroje. V klasické výpočetní technice jsou dnes programovací jazyky na několika úrovních vzdáleny od hrubého „strojového kódu“, který museli používat první vývojáři softwaru, protože detaily ukládání, zpracování a posunu dat jsou již standardizovány. „Když programujete klasický počítač, nemusíte vědět, jak funguje tranzistor,“ říká Dave Bacon, který vede softwarové úsilí týmu Google. Kvantový kód naproti tomu musí být vysoce přizpůsoben qubitům, na kterých poběží, aby se z jejich temperamentního výkonu vytěžilo co nejvíce. To znamená, že kód pro čipy IBM nebude fungovat na čipech jiných společností, a dokonce ani techniky pro optimalizaci 53qubitového čipu Sycamore společnosti Google nebudou nutně fungovat dobře na jeho budoucím 100qubitovém sourozenci. A co je ještě důležitější, znamená to, že nikdo nedokáže předpovědět, jak obtížný problém bude těchto 100 qubitů schopno řešit.
Nejvíce, v co se kdo odvažuje doufat, je, že počítače s několika stovkami qubitů budou během několika příštích let přiměny k simulaci nějaké středně složité chemie – možná dokonce natolik, aby se posunulo hledání nového léku nebo účinnější baterie. Nicméně dekoherence a chyby zastaví všechny tyto stroje dříve, než se jim podaří něco opravdu těžkého, například prolomit kryptografii.
K sestavení kvantového počítače s výkonem 1 000 qubitů byste potřebovali milion skutečných.
To bude vyžadovat kvantový počítač „odolný proti chybám“, který dokáže kompenzovat chyby a udržovat se v chodu po neomezenou dobu, stejně jako to dělají klasické počítače. Očekávaným řešením bude vytvoření redundance: přimět stovky qubitů, aby se chovaly jako jeden, ve sdíleném kvantovém stavu. Společně mohou opravovat chyby jednotlivých qubitů. A když každý qubit podlehne dekoherenci, jeho sousedé ho oživí v nekonečném cyklu vzájemné resuscitace.
Obvykle se předpokládá, že k dosažení této stability by bylo zapotřebí až 1 000 spojených qubitů – to znamená, že k sestavení počítače s výkonem 1 000 qubitů byste jich potřebovali milion skutečných. Google „konzervativně“ odhaduje, že dokáže postavit procesor s milionem qubitů do 10 let, říká Neven, ačkoli je třeba překonat několik velkých technických překážek, včetně jedné, v níž má IBM možná ještě před Googlem náskok (viz protější strana).
Do té doby se může mnohé změnit. Supravodivé qubity, které Google a IBM v současné době používají, se mohou ukázat jako vakuové trubice své éry, nahrazené něčím mnohem stabilnějším a spolehlivějším. Vědci po celém světě experimentují s různými metodami výroby qubitů, i když jen málo z nich je natolik pokročilých, aby se s nimi daly postavit funkční počítače. Konkurenční startupy, jako jsou Rigetti, IonQ nebo Quantum Circuits, by mohly získat náskok v určité technice a přeskočit větší společnosti.
Příběh dvou transmonů
Transmonové qubity Googlu a IBM jsou téměř identické, s jedním malým, ale potenciálně zásadním rozdílem.
V kvantových počítačích Googlu i IBM jsou samotné qubity ovládány mikrovlnnými impulsy. Drobné výrobní vady znamenají, že žádné dva qubity nereagují na impulsy o přesně stejné frekvenci. Existují dvě řešení: měnit frekvenci pulzů a najít pro každý qubit „sladké místo“, jako když se špatně vyříznutým klíčem v zámku třese tak dlouho, dokud se neotevře; nebo použít magnetické pole k „naladění“ každého qubitu na správnou frekvenci.
IBM používá první metodu, Google druhou. Každý přístup má své klady i zápory. Laditelné qubity společnosti Google pracují rychleji a přesněji, ale jsou méně stabilní a vyžadují více obvodů. Qubity IBM s pevnou frekvencí jsou stabilnější a jednodušší, ale pracují pomaleji.
Z technického hlediska je to docela sporné, alespoň v této fázi. Z hlediska firemní filozofie je to však rozdíl mezi Googlem a IBM v kostce – nebo spíše v qubitu.
Google se rozhodl být hbitý. „Obecně naše filozofie směřuje trochu více k vyšší kontrolovatelnosti na úkor čísel, která lidé obvykle hledají,“ říká Hartmut Neven.
IBM se naopak rozhodla pro spolehlivost. „Je obrovský rozdíl mezi provedením laboratorního experimentu a publikováním článku a zavedením systému s 98% spolehlivostí, kde ho můžete provozovat neustále,“ říká Dario Gil.
Právě teď má Google výhodu. Jak se však stroje zvětšují, výhoda se může překlopit na stranu IBM. Každý qubit je ovládán samostatnými dráty; laditelný qubit vyžaduje jeden drát navíc. Vyřešení zapojení pro tisíce nebo miliony qubitů bude jednou z nejtěžších technických výzev, kterým obě společnosti čelí; IBM tvrdí, že je to jeden z důvodů, proč se rozhodla pro qubit s pevnou frekvencí. Martinis, vedoucí týmu Googlu, říká, že osobně strávil poslední tři roky hledáním řešení zapojení. „Je to tak důležitý problém, že jsem na něm pracoval,“ žertuje.
Ale vzhledem ke své velikosti a bohatství mají Google i IBM šanci stát se vážnými hráči na poli kvantových počítačů. Společnosti si budou jejich stroje pronajímat k řešení problémů stejně, jako si v současnosti pronajímají cloudová datová úložiště a výpočetní výkon od společností Amazon, Google, IBM nebo Microsoft. A to, co začalo jako bitva mezi fyziky a počítačovými vědci, se vyvine v souboj mezi divizemi podnikových služeb a marketingovými odděleními.
Která společnost má nejlepší předpoklady k tomu, aby tento souboj vyhrála? IBM s klesajícími příjmy má možná větší pocit naléhavosti než Google. Z trpkých zkušeností ví, jakou cenu má pomalý vstup na trh: loni v létě při svém dosud nejdražším nákupu přeplatila 34 miliard dolarů za společnost Red Hat, poskytovatele cloudových služeb s otevřeným zdrojovým kódem, ve snaze dohnat v této oblasti Amazon a Microsoft a zvrátit svůj finanční osud. Zdá se, že její strategie umístit své kvantové stroje do cloudu a od samého počátku budovat placený byznys jí má poskytnout náskok.
Google nedávno začal následovat příkladu IBM a mezi jeho komerční klienty nyní patří americké ministerstvo energetiky, Volkswagen a Daimler. Důvod, proč to neudělala dříve, je podle Martinise prostý: „Neměli jsme prostředky na to, abychom je umístili do cloudu.“ Ale to je jen jiný způsob, jak říci, že si mohla dovolit ten luxus, že nemusela upřednostňovat rozvoj podnikání.
Zda toto rozhodnutí dává IBM výhodu, je předčasné říci, ale pravděpodobně důležitější bude, jak obě společnosti v příštích letech uplatní své další silné stránky při řešení tohoto problému. IBM, říká Gil, bude těžit ze svých „full stack“ zkušeností ve všech oblastech, od vědy o materiálech a výroby čipů až po služby velkým korporátním klientům. Google se zase může pochlubit kulturou inovací ve stylu Silicon Valley a bohatou praxí v rychlém rozšiřování operací.
Co se týče samotné kvantové nadvlády, bude to důležitý okamžik v historii, ale to neznamená, že bude rozhodující. After all, everyone knows about the Wright brothers‘ first flight, but can anybody remember what they did afterwards?
Sign inSubscribe now