Počítám, že většina z vás už slyšela o kvantových počítačích, koncepčně hodně odlišném systému řešení výpočetních problémů ne elektronickým obvodem, ale komplexní fyzikální aparaturou využívající naplno jevy kvantové mechaniky. Tyto počítače (či by se možná dalo říct stroje) by měly být schopné díky využití jejích paradoxních (z pohledu klasické fyziky) efektů řešit některé problémy, které algoritmy na klasickém elektronickém počítači nezvládají.
Minulý týden Google oznámil, že jeho pokusný kvantový počítač se dostal do stádia použitelnosti, kdy přesně tohoto dosáhl a dobyl metu tzv. Quantum Supremacy (doslova „kvantové nadřazenosti“). To znamená nejen, že by měl mít výkon kvantitativně vyšší než klasické počítače, ale rozdíl by měl být kvalitativní, kategorický. Podle Googlu je s ním možné dokončit v relativně krátkém čase něco, co bychom jinak počítali deset tisíc let. Nicméně vše samozřejmě není tak jednoduché a nelze říct, že by tímto klasické počítače ztrácely smysl, realita je složitější.
Základem kvantových počítačů jsou tzv. qubity, což však není jen abstraktní jednotka kapacity jako bit, pod qubitem se rozumí fyzické zařízení, které nějak drží tuto hodnotu, ale zároveň s ní dokáže provádět operace a propojovat ji s dalšími takovými. Manipulováním takové soustavy qubitů pak provádíte kvantový výpočetní algoritmus. Co je zde podstatné, že zatímco bit může být nula nebo jednička, qubit sice také operuje s dvěma hodnotami (například dvěma možnými hodnotami spinu elektronu), ale tyto dva stavy v něm mohou být ve stavu koherentní superpozice.
Pokud znáte přirovnání se Shrödingerovou kočkou, která se uvnitř krabice nachází tak, kdy současně existuje v mrtvém i živém stavu (superpozice těchto stavů), jde přesně o totéž. Tyto speciální kvantové efekty jsou pak právě klíčem k speciálním schopnostem kvantových výpočtů.
Vyrobit jednotku pro držení jednoho qubitu (a pak také realizovat její komunikaci s dalšími) je nesmírně náročné, často s potřebou extrémního vakua, teplot blízko absolutní nuly a odstínění od okolí, a kvantový stav qubitu i tak velmi rychle kolabuje. Proto kvantové počítače mají qubitů zatím velmi málo, jen pár desítek, což není dost na to, aby jejich výkon byl užitečný, Obecně se ale očekávalo, že někde okolo 50 qubitů by se to mohlo zlomit a takový počítač už by dosáhl schopností, zajímavých pro nějaké aplikace.
Kvantový počítač Sycamore od Google s 53 qubity53 qubitů procesoru Sycamore
A právě toto nyní oznámil Google. V referátu uveřejněném v prestižním vědeckém časopisu Nature oznámil pokusné vybudování procesoru „Sycamore“, jenž obsahuje 53 qubitů. Původně jich mělo být 54, ale jeden v hotovém počítači není funkční. A tento stroj dle Googlu dosáhnul kvantové nadřazenosti. Během asi 200 sekund provedl milion měření stavu kvantového obvodu a získal tak řešení definované úlohy, která by podle Googlu na nejvýkonnějších klasických počítačích vyžadovala 10 000 let běhu. Na tomto projektu v Google pracuje tým AI Quantum, ovšem spolupracuje na něm také tým Kalifornské univerzity v Santa Clara vedený Johnem Martinim.
Uspořádání 53qubitového kvantového počítače (Zdroj: Nature)Kvantové výpočty by měly být použitelné k prolomení některých klasických šifer (ale zdaleka na všech, protože tato teoretická hrozba je již dlouho známá a algoritmy se přizpůsobily), ale také k chemickým simulacím, které by zřejmě na qubitech mohly být velmi dobře modelovány. A propojené kvantové počítače tvořící „kvantový internet“ by zase měly umožňovat přenos zpráv s fyzikálně zakotvenou jistotou, že je nějaký špion nemůže odposlechnout.
Jeden z čipů kvantového počítače Sycamore (Zdroj: Ars Technica)Pokud vás zajímá, jak kvantový počítač vypadá, má o něm pěkný článek web Ars Technica, který byl v laboratoři přímo na návštěvě a popisuje podrobnosti. Jeho základem jsou speciální čipy, které potřebují poměrně velké množství drátových propojení, které jsou mnohem větší, než samotné qubity. Celá soustava má spoustu řídícího a podpůrného zařízení, samotné kvantové prvky jsou při chodu schovány v kovových chladících nádobách – některé fotky najdete v galerii.
Pouzdro čipu (Zdroj: Ars Technica)Galerie: Kvantový počítač s 53 qubity Sycamore od Google
Nastala Quantum Supremacy, nebo ne?
Ačkoliv „dosažení kvantové nadřazenosti“ zní jako nějaký revoluční okamžik, kdy by se všechno mělo změnit, reálně je třeba být střízlivější. Za prvé je třeba si uvědomit, že kvantové počítače budou (asi vždy) speciální technologie. Jak už bylo řečeno, měly by zřejmě umožnit věci, které klasická elektronika neumí, ale nepůjde o univerzální nástroje pro všechno. Jak říká sám autor pojmu Quantum Supremacy John Preskill, kvantové počítače „budou mít pravděpodobně velmi specializované užití, ale vypadá to, že se nestanou něčím, na čem bychom psali e-maily“ (nebo potažmo hráli hry, můžeme asi dodat). Už z toho vyplývá, že klasické počítače tu budou i v budoucnu a kvantové počítače je budou doplňovat – nejspíš v poměrně malém globálním počtu, tak trochu jako superpočítače nyní.
Druhá věc je, že ne všichni souhlasí, že 53qubitový kvantový počítač Googlu skutečně dospěl do onoho stavu nadřazenosti, kdy by se mu (v oněch úlohách, pro které se kvantový počítač hodí) skutečně nic nemohlo rovnat. IBM, které samo také na superpočítačích pracuje a jeho tým už také má počítač s 53 qubity, publikovalo vlastní referát, v kterém dochází k závěru, že výsledky prezentované Googlem jsou vypočitatelné klasicky. A to ne za oněch 10 000 let, ale v řádu dní na dnešních superpočítačích (jmenovitě stroji Summit v Oak Ridge, shodou okolností od IBM, jsou v něm GPU Nvidia Volta a procesory Power 9).
IBM: klasické počítače to stále zvládají také
Odlišný výsledek je dán tím, že IBM pomocí různých optimalizací dokáže využít Schrödingerovskou simulaci, které dle závěrů Googlu neměla být pro danou úlohu použitelná kvůli nesplnitelným nárokům na operační paměť nutnou k uložení plného stavového vektoru. Podle Googlu by proto na klasickém (super)počítači musela být použitá jiná metoda (Schrödinger-Feynmanova simulace), která potřebuje méně paměti, ale více času. IBM ale nárok na paměť snížilo zapojením permanentního úložiště k uložení mezivýsledků a uvádí, že se tak dá stále použít Schrödingerova simulace (aneb rozšíření RAM o swap?). Výsledek je, že stejnou simulaci by prý mělo být možné provést na nyní nejlepším superpočítači v ideálním případě za jen 2,5 dne, což je stále docela reálné.
Pouzdro čipuJe ovšem pravda, že 200 sekund a dva a půl dne jsou pořád časy lišící se o nějaký ten řád, takže výhoda kvantového výpočtu zde pořád je vidět. A s přidáním dalších qubitů by měla jen růst. Nicméně to asi ilustruje, že ona představa kvantové nadřazenosti je komplikovanější věc a ve skutečnosti to nebude nějaký jasný bod a revoluční okamžik.
Podle zmíněného Johna Preskilla jsme stále ve fázi, kdy se vlastně kvantové počítače moc k ničemu nepoužívají a stále hlavně experimentujeme s tím, k čemu by mohly být dobré a připravujeme se na to, až v budoucnu budou mít více qubitů se zajímavějšími aplikacemi než dnes. Reálné praktické využití je tak stále spíš v budoucnosti a teprve se ukáže, jaké nové využití 53 qubitů ve stroji Googlu otevře (a poté opět totéž pro další evoluční generace s více qubity). Realizování těchto praktických aplikací podle něj stále může trvat ještě dlouhou dobu.
Což ovšem také říkají sami výzkumníci Googlu/University of California – kvantová výpočetní technika není podle nich sprint, kde by se soutěžilo třeba aktuálně o to oznámení kvantové nadřazenosti, ale maraton...
Zdroje: Ars Technica, Google, IBM, Nature, Phys.org
