Kvantový počítač (VŠETKO, ČO CHCETE VEDIEŤ)

Kvantový počítač (VŠETKO, ČO CHCETE VEDIEŤ) – OBSAH

1. Kvantové počítače prinášajú doteraz nepredstaviteľné možnosti
2. Ako funguje kvantový počítač?
3. Problémy s kvantovými výpočtami a ich riešenie
4. Uplatnenie a praktický prínos kvantového počítača
5. Kvantový počítač vs. klasický počítač: základné rozdiely
6. Aktuálne: kvantové počítače v roku 2019
7. Budúcnosť kvantových počítačov

Kvantové počítače prinášajú doteraz nepredstaviteľné možnosti

Základným princípom kvantových výpočtov je to, že kvantové vlastnosti častíc sú využité na reprezentáciu a štruktúru dát a kvantovej javy potom slúžia na výkon operácií s týmito dátami. Kľúčovou vlastnosťou elementárnych častíc, na ktorej je teória kvantových výpočtov postavená, je kvantová koherencia.

Len 1 000 častíc môže reprezentovať každé číslo od 1 do 21 000 (približne 10 300) a kvantový počítač by manipuloval všetkými číslami súčasne. Napríklad tak, že by zasahoval častice laserovými pulzmi. Práve schopnosť vykonávať paralelné výpočty dáva kvantovému počítaču jeho ohromnú rýchlosť oproti konvenčným strojom, ktoré spracúvajú informácie postupne, jednu po druhej.

Vzhľadom na to, že žiadna podobná vlastnosť v prostredí vnímanom ľudskými zmyslami neexistuje, je ťažké si ju nejako predstaviť. Vôbec celá kvantová fyzika je z hľadiska ľudského chápania plná zvláštností a paradoxov. V dôsledku však ide o to, že malý počet častíc, napr. elektrónov, dokáže niesť nepredstaviteľné množstvo informácií.

Ako funguje kvantový počítač?

Každá častica predstavuje qubit [kju:bit], ktorý je pre kvantové počítače základnou informačnou jednotkou. Na rozdiel od bitu nezahŕňa len 0 a 1, ale tiež všetky tzv. superpozičné stavy, teda niečo medzi 0 a 1 (viď obrázok). Po dokončení výpočtu sa však superpozícia zruší a každý qubit skolabuje k 0 alebo 1 – podľa toho, ku ktorej limitnej hodnote mala jeho superpozícia bližšie (viď obrázok).

Táto skupina núl a jednotiek je výsledok. Jediný. Označuje sa ako výsledok s najvyššou pravdepodobnosťou. Slovo pravdepodobnosť budí dojem, že kvantový počítač je tak rýchly vďaka tomu, že výsledky nepočíta, ale len odhaduje. Je to ale dojem mylný. V kvantovej mechanike nie je pravdepodobnosť náhoda, ale pojem. A je dokonale počítateľný.

Problémy s kvantovými výpočtami a ich riešenie

Hlavnou nutnosťou na realizáciu kvantových výpočtov je udržať častice v superpozícii, teda zachovať súdržnosť. Ako ale zabezpečiť koherenciu napriek pôsobeniu všadeprítomného elektromagnetického poľa a ďalších vonkajších vplyvov? Asi dosť ťažko. Bude teda potrebné vyvinúť spoľahlivý korekčný mechanizmus.

Ten zrejme bude vychádzať z ďalšej úžasnej vlastnosti elementárnych častíc – kvantovej previazanosti (entanglement), ktorá v budúcnosti môže spôsobiť revolúciu v telekomunikačnej technike: správy by sa už nevysielali, ale teleportovali. Avšak v kvantových počítačoch majú vzájomne previazané qubity duplikovať informácie. Porovnaním vzájomne previazaných qubitov môže počítačový algoritmus odhaliť chybu a vykonať korekciu. Mimochodom, dvojreťazcové DNA tiež uchováva genetickú informáciu v dvoch kópiách, každý gén tak má svoju „zálohu“. Veľkým problémom je samotné meranie.

Vo svete subatomárnych častíc nemožno len tak niečo nezávisle zmerať bez toho, aby došlo k nežiaducej interakcii, ktorá by spôsobila zmenu stavu častíc. Dlho teda panovalo presvedčenie, že kým kvantový počítač nedokončí výpočet, nebude možné priebežne sledovať, „ako to vyzerá“. Vedcom sa ale podarilo nájsť metódy, ktoré to umožňujú.

Uplatnenie a praktický prínos kvantového počítača

Prínos kvantového počítača nie je doteraz celkom jasný. Podľa súčasných predpokladov by dosiahol dramatické urýchlenie v niekoľkých málo úlohách, napr. v prípade prelamovania kryptografických kódov. V prípade ostatných úloh by však trpel rovnakými obmedzeniami ako konvenčné počítače. Ako je možné, že kvantový počítač urýchli len niektoré úlohy? Nie je rýchlejší počítač jednoducho rýchlejší počítač?

Odpoveď znie nie a vysvetlenie súvisí so spracovaním úloh. Podstatné je totiž to, ako rýchlo s rastom úlohy vzrastá čas potrebný na jej vyriešenie. Táto doba sa meria počtom základných krokov, ktoré algoritmus potrebuje na dosiahnutie výsledku. Napríklad dve n-ciferné čísla možno násobiť za čas, ktorý rastie s druhou mocninou počtu číslic v číslach.

Problémom sú tzv. polynomické úlohy, napr. prípad obchodného cestujúceho, ktorý hľadá najkratšiu trasu medzi všetkými mestami alebo sa snaží vtesnať do svojho kufríka krabičky rôznych rozmerov tak, aby sa mu tam všetky zmestili. Hoci na tieto úlohy existujú algoritmy o niečo lepšie ako skúšanie každého možného variantu, nie je známy žiadny algoritmus, ktorý by bol podstatne rýchlejší. Pre kvantový počítač sú ale polynomické úlohy úplne ideálne, lebo, ako bolo vysvetlené na začiatku, dokáže počítať všetko naraz.

Kvantový počítač vs. klasický počítač: základné rozdiely

V nasledujúcich bodoch sme zhrnuli niekoľko základných rozdielov medzi klasickým počítačom a počítačom kvantovým.

• Klasické počítače používajú bity vo forme tranzistorov, ktoré nadobúdajú hodnoty 1 alebo 0. Kvantové počítače používajú qubity (protón, elektrón), ktoré môžu nadobúdať hodnoty 1, 0 alebo súčasne obe hodnoty v takzvanom stave superpozície.
• Kvantové počítače sú vďaka vlastnostiam kvantovej mechaniky schopné niektoré problémy počítať oveľa rýchlejšie ako klasické počítače (napr. kryptografické problémy).
• Klasické počítače môžu na rozdiel od kvantových ľubovoľne kopírovať dáta.
• Klasické počítače pracujú vo svojej podstate bez chýb. Kvantové počítače môžu pri výpočtoch alebo vykonávaní operácií chybovať, a je preto nutné neustále kontrolovať správnosť vykonávaných operácií.

Aktuálne: kvantové počítače v roku 2019

Posledný pokus o vytvorenie komerčného kvantového počítača má na svedomí americký gigant IBM. Produkt s označením IBM Q System One bol predstavený na tohtoročnom veľtrhu CES 2019 a je potrebné povedať, že dokonca aj na pomery „šialeného“ CES ide o netradičnú novinku. Okrem kvantovej výpočtovej sily ohromil Q System One najmä futuristickým dizajnom. Ako ale priznáva aj samotná spoločnosť IBM, ich produkt je samozrejme nedokonalý a poukazuje na limity súčasných technológií kvantového počítača. Za zmienku potom stojí tiež historicky prvé kvantové počítače určené na predaj, ktoré v roku 2017 predstavila spoločnosť D-Wave. Tieto počítače našli praktické využitie napríklad v spoločnosti Google.

Google hlási, že dosiahol kvantovú nadradenosť

Všetko nasvedčuje tomu, že nová éra počítačov je už doslova za dverami. Spoločnosť Google totiž v stredu 23. októbra prostredníctvom časopisu Nature oznámila, že jej kvantový počítač Sycamore dosiahol takzvanú „kvantovú nadradenosť“. Inými slovami, zvládol za iba 200 sekúnd vyriešiť extrémne ťažký problém, ktorý by žiadny súčasný počítač v rozumnom čase nevyriešil. V tomto konkrétnom prípade išlo o problém náhodného vzorkovania, kedy počítač overuje, či je množina čísel náhodne distribuovaná.

Súčasťou správy bola tiež mierna provokácia smerom k IBM, keď Google zdôraznil, že aj aktuálne najvýkonnejšiemu superpočítaču na svete IBM Summit by túto úlohu zabral zhruba 10 000 rokov. Spoločnosť IBM sa proti tomuto tvrdeniu veľmi rýchlo ohradila s tým, že Google podáva nepresné informácie a ich počítač problém rieši za „jednoduchého“ dva a pol dňa. Či už je ale realita akákoľvek, ide bezpochyby o obrovský míľnik v oblasti výpočtových technológií. Google pomaly ale iste zhromažďuje dôkazy, ktoré nás dosť možno utvrdia v tom, že budúcnosť s užitočnými kvantovými počítačmi je možná, a nie príliš vzdialená.

Budúcnosť kvantových počítačov

Kvantový počítač určite neprevráti svet naruby, jeho zavedenie do praxe však spôsobí množstvo zásadných zmien. Dnešné kryptografické kódy používané pri peňažných transakciách na internete sa stanú nepoužiteľnými, pretože kvantové počítače by ich lúskali ako orechy.

Radikálnou premenou nepochybne prejdú dátové centrá, kde kvantové počítače zabezpečia bleskové prehľadávanie záznamov, hlavne v netriedených databázach. Ďalší postup miniaturizácie integrovaných obvodov naráža na fyzikálne zákony, a posun technológií na subatomárnu úroveň sa tak javí ako nevyhnutný. Ovládnutie kvantovej mechaniky však nebude ani rýchle, ani jednoduché.