"Představujeme vám Willow, náš špičkový kvantový čip," oznámil Sundar Pichai, šéf společnosti Google. "V našem testu jsme za necelých pět minut vyřešili úlohu, která by nejlepším superpočítačům současnosti trvala 10 kvadrilionů let. To je mnohem více, než bude trvat vesmír." Jako vše kolem kvantových počítačů, i toto oznámení je pro většinu lidí jen těžko pochopitelné. Lidská zvědavost přirozeně sklouzne ke kvadrilionu (10 kvadrilionů je jednička následovaná dvaceti pěti nulami). Jenže to je spíš důsledek toho, že kvantové počítače fungují jinak, a umí tedy počítat úplně jiné úlohy. A tato ukázková úloha konkrétně byla navržena tak, aby byla pro klasické počítače složitá a pro kvantové počítače jednoduchá. "Přímo ten výpočetní problém, o kterém se v oznámení Googlu mluví, nikomu k ničemu není," vysvětluje Jakub Mareček z Centra umělé inteligence na FEL ČVUT. Je možné o něm uvažovat jako o simulaci kvantového počítače na klasickém počítači. "Simulovat kvantový počítač na kvantovém počítači" je jednoduché, zatímco na klasickém počítači se to dělá velmi špatně." Snížení chybovosti při rostoucích schopnostechKvantové počítače jsou svatým grálem posledních čtyřiceti let. Teoreticky přinášejí úplně nové možnosti a mohly by řešit úlohy, které jsou zcela mimo dosah současných počítačů založených na digitální binární architektuře. Fungují pouze v laboratořích, v teplotách blízkých absolutní nule. A ani tak se zatím nedařilo udržet "qubity" – základní stavební prvek kvantových počítačů – v chodu déle než několik mikrosekund. Průlom nového kvantového procesoru Willow spočívá v tom, že tento čip umí exponenciálně snížit chybovost se zvyšujícím se výkonem. "Jde o řešení 30 let starého problému," zdůraznil Pichai. "Obecně jde říct, že podobně jako u klasického počítače měříme ‚výkon‘ různými parametry (rychlost procesoru, velikost operační paměti, velikost úložiště SSD, atp.), tak i u kvantového počítače měříme ‚výkon‘ různými parametry, jako je počet qubitů, doba provedení jedné operace na dvou qubitech, chyba provedení operace na dvou qubitech," uvedl Mareček z ČVUT pro redakci SZ Byznys. "Nový čip Googlu je velmi dobrý v jednom z těchto parametrů - chyba provedení operace na dvou qubitech, který je možná pro širší veřejnost hůře uchopitelný," vysvětluje Mareček. Z vědeckého pohledu jde ale o zásadní novinku – kvantový tým Googlu publikoval příslušný článek v aktuálním čísle časopisu Nature. "Kvantová korekce chyb otevírá cestu k dosažení praktického kvantového počítače tím, že kombinuje více fyzických qubitů do jednoho logického qubitu, kde je míra logických chyb potlačena exponenciálně s rostoucím počtem přidaných qubitů," vysvětlují vědci v úvodu. "Naše výsledky představují takový výkon, který by, pokud by se podařilo jej škálovat, mohl splnit provozní požadavky rozsáhlých kvantových algoritmů odolných proti chybám."
Jiný počítač, jiné úlohy
Kvantové počítače jsou na rozdíl od těch dnešních analogové. To znamená, že každá fyzicky provedená operace je zatížena určitou chybou, vysvětluje Mareček. Tyto chyby dokážou opravit tzv. "kvantové samoopravné kódy", pokud jsou pod určitou úrovní. Nový čip Googlu podle něj dosáhl chybovosti operací na dvou qubitech pod touto hranicí, což umožňuje opravit chyby u široké škály operací. Přestože se pod tuto úroveň již dostaly některé výzkumné skupiny, například tým prof. Lukina z Harvardu, čip Googlu je první, který toho dosáhl s technologií supravodivých qubitů. Prof. Lukin využívá nižší teploty a pracuje s jednotlivými atomy nebo ionty. Co je kvantový počítač?Klasické počítače využívají binární operace. Zjednodušeně řečeno pracují s přepínači (bity), které mohou mít hodnotu buď nula, nebo jedna. Kvantové počítače překračují logiku klasických počítačů. Pracují s tzv. kvantovými bity (qubity). Využívají kvantové jevy, jako je superpozice, provázání nebo interference. "Možná jste slyšeli, že qubit může být zároveň nula i jedna. To není úplně přesné," vysvětluje magazín Wired. "Qubit má určitou pravděpodobnost, že skončí jako jedna, a pravděpodobnost, že skončí jako nula. Asi jako mince, kterou hodíte do vzduchu, má jistou šanci, že po dopadu ukáže orla, nebo pannu." Teprve při přečtení qubitu jeho hodnota "zkolabuje" do nuly nebo jedničky. Právě tyto pravděpodobnosti – které mohou vyjadřovat komplexní jevy – jsou klíčem k užitečnosti kvantových počítačů. Provázáním qubitů na sebe lze vytvořit závislosti mezi jednotlivými pravděpodobnostmi. Když vše dobře naplánujete, můžete pak "naráz" zjistit výsledek komplikovaného propočtu, který by bylo pomocí klasického počítače nutné řešit krok po kroku. "Hlavní myšlenka kvantových počítačů je chytře na sebe navázat sérii interferencí," vysvětluje informatik Scott Aaronson s autorem Zachem Weinersmithem. "Cesty vedoucí ke špatným odpovědím se navzájem vyruší a cesty vedoucí ke správné odpovědi se navzájem posílí." Kvantové počítače tak mohou řešit úplně nové typy úloh a využívat úplně nové typy algoritmů. Neznamená to naopak, že by na kvantovém počítači mohly běžet stejné úlohy jako na klasickém počítači. Pro některé typy úkolů budou kvantové počítače výrazně lepší. Například tam, kde se hledá optimální řešení problému vyjádřitelného sérií provázaných pravděpodobností. Často diskutovanou oblastí je kryptografie. Klasické šifrování, na kterém stojí velká část internetového zabezpečení, spoléhá na asymetrickou šifru. Kdo nemá "tajný kód" k dešifrování dat, ten by musel zkoušet různé varianty, což by trvalo i na nejrychlejších superpočítačích desetitisíce let. Kvantové počítače by to ale teoreticky mohly zvládnout na počkání. Proto některé firmy zavádějí šifrování, které je "kvantově neprolomitelné". Americký úřad NIST v roce 2022 oznámil první kvantově odolný šifrovací algoritmus. Využití vlastností subatomárních částic ve výpočetní technice je cílem vědců už několik desítek let. Například kvantové provázání (entanglement) umožňuje propojení dvou částic na velkou vzdálenost, zatímco efekt superpozice umožňuje, aby částice byla současně ve více stavech. "Když pracujeme s kvantovým počítačem, tak v podstatě provádíme měření kvantových vlastností nějakého reálného fyzikálního systému," vysvětlila pro Seznam Zprávy v nedávném rozhovoru Prineha Narangová, vedoucí kvantové laboratoře na University of California. "S klasickými počítači tohle dávno neřešíme. Programátoři už nemusejí přemýšlet, jak jsou jejich příkazy prováděny na úrovni tranzistorů uvnitř čipu. Zvykli jsme si na značnou úroveň abstrakce." Zatímco tradiční počítače pracují s bity (jedničkami a nulami), kvantové počítače využívají tzv. qubity, jednotky, které mohou díky principu superpozice pracovat s hodnotami mezi jedničkou a nulou. Základní pojmyQubit – kvantový bit, základní jednotka informace ve světě kvantových počítačů. Na rozdíl od klasického bitu (1 nebo 0) může mít hodnotu kdekoli "mezi", přesněji řečeno v superpozici obou stavů. Tato hodnota může navázaná na další "hodnoty" dalších qubitů, což lze využít k řešení některých velmi specifických úloh. Superpozice – qubit může mít "zároveň" více hodnot, kvantový počítač tak může prohledávat více možných řešení naráz. Superpozice neznamená "0 + 1", jde o pravděpodobnostní rozložení fyzikálních jevů. Entanglement – kvantové provázání, kdy změna vlastnosti jedné částice okamžitě ovlivní jinou částici. V kvantovém počítači to lze použít k navázání více qubitů. Kvantová korekce chyby – metoda opravení chyb bez ztráty kvantové informace uložené v qubitu nebo "rozpadu" qubitu. Logický qubit – více fyzických qubitů zkombinovaných způsobem, který stabilizuje chování pomocí korekce chyb, a umožňuje tak spolehlivé výpočty. Není výkon jako výkonQubity mají ohromný potenciál pro řešení některých specifických úloh, ale jejich citlivost na vnější vlivy způsobuje časté chyby – ty mohou vzniknout dokonce i vlivem subatomárních částic z vesmíru, připomíná Reuters. S rostoucím počtem qubitů na čipu se obvykle zvyšuje riziko chyb. Vědci proto od 90. let intenzivně pracují na kvantové korekci chyb. Oznámení Googlu o tom, že se jim podařilo chybovost redukovat při navýšení qubitů, představuje zásadní pokrok směrem k praktickému využití kvantových počítačů. "Výkon čipu Willow je ohromující: provedl výpočet za méně než pět minut, který by jednomu z nejrychlejších současných superpočítačů trval 10^25 let (10 kvadrilionů let). Toto neuvěřitelné číslo výrazně překračuje známé časové škály ve fyzice i stáří vesmíru. Podporuje teorii, že kvantové výpočty probíhají v mnoha paralelních vesmírech, což je v souladu s myšlenkou multivesmíru, kterou poprvé představil fyzik David Deutsch," uvedl Google na svém blogu. Ačkoli úloha, kterou čip Willow vyřešil, nemá praktické využití, Google věří, že kvantové počítače mohou v budoucnu přinést řešení složitých problémů v oblastech, jako je medicína nebo umělá inteligence, na které dnešní technologie nestačí, dodává agentura Reuters. "Překonali jsme bod zlomu," řekl v rozhovoru Hartmut Neven, který vede oddělení Google Quantum AI. Na první pohled by se mohlo zdát, že vyšší výkon kvantových počítačů by šlo okamžitě použít například pro nyní velmi žádané trénování modelů umělé inteligence. Kvantové počítače umožní zvýšit výkon a trénování AI potřebuje vysoký výkon. Jenže toto spojení umělé inteligence a kvantových počítačů není vůbec přímočaré. Jsou to jiné "výkony". Metaforicky řečeno: letadlo může být rychlé a zámečník může být rychlý. U každého ale tato rychlost popisuje jiný úkon. Rychlejší letadlo nepomůže při rychlejším odemykání zámku a naopak. Obě ty oblasti se samozřejmě budou nepřímo ovlivňovat a časem se možná najde nějaké inovativní přímé propojení. V současné době jsou ale kvantové počítače teprve na začátku cesty a jejich výsledky nejsou okamžitě použitelné v praxi. Vědci se ale připravují na budoucnost, ve které budou kvantové počítače pomáhat při zkoumání materiálů nebo vývoji léků: "Pokud chceme maximalizovat pozitivní dopady, musíme o tom přemýšlet už nyní," připomíná Narangová. "Lidé si někdy myslí, že kvantový počítač je prostě rychlý počítač. To je nepříjemně chytlavý mýtus. Ve skutečnosti je to úplně nový typ počítače, díky kterému máme přístup k úplně jinému typu výpočtů, jinému typu poznání."