Microsoft: Jsme připravení vyrobit první kvantový počítač

Zapomeňte na hádky, jestli je lepší Android, anebo iOS. Zapomeňte na věčné diskuze, zdali odvádí lepší práci Firefox, nebo Chrome. A především zapomeňte na popichování fanoušků Linuxu a stejně tak Windows. Proč? Protože na technologické scéně se právě teď na plné obrátky rozjíždí jeden mnohem zajímavější souboj.

Microsoft: Jsme připravení vyrobit kvantový počítač

Microsoft na svém blogu v relativní tichosti oznámil, že už bylo dost teoretického výzkumu a nastal čas konečně vyrobit univerzální kvantový počítač. Do čela tohoto smělého plánu instaloval nového viceprezidenta pro kvantový program Todda Holmdahla, který v minulosti dohlížel na zrod Xboxu, Kinectu nebo třeba HoloLens, a k dispozici mu dal špičkové profesory z evropských univerzit.

Microsoft ale samozřejmě není jediný. Právě v tuto chvíli byste našli v akademické i komerční sféře celý zástup hráčů, kteří touží po jediném. Chtějí zkonstruovat kvantový počítač, který spočítá něco, co klasický počítač prostě nedokáže.

Ten cíl ostatně charakterizuje současný stav na poli kvantového výzkumu. Vědci v posledních letech přispěchali s hromadou studií, ve kterých popisují výpočty pomocí kvantových bitů. Google se tak například v létě pochlubil, že dokázal pomocí kvantových experimentů detailně a především přesně simulovat energii molekuly vodíku, k čemuž by klasický superpočítač potřeboval dlouhé dny výpočtů.

Hledá se kvantový počítač, který dokáže kousky, které ten klasický neumí

Nikdo však zatím nepřišel s něčím, co by klasický superpočítač prostě nespočítal. Odborná komunita tedy bedlivě čeká, kdo způsobí skutečné zemětřesení a demonstruje s pomocí kvantového stroje něco, co by nedokázaly ani všechny superpočítače světa dohromady.

První komerční výpočetní stroj od D-Wave, který se pokouší využít exotických kvantových jevů. Vědci roky hledají způsob, jak tyto kvantové jevy prakticky využít pro extrémně rychlé výpočty.

Má to jeden háček. Zatímco kvantový počítač a jeho teorie výpočtů jsou na papíře zpracované již desítky let, nikdo zatím neví, která konstrukce je opravdu ta pravá. V mnoha směrech to připomíná strojové učení a neuronové sítě, jejichž vývoj za poslední dekádu taktéž učinil obrovský skok vpřed, ale nikdo dodnes neví, co se sakra během toho učení přesně děje.

Proč po něm touží Google?

Základem každého kvantového počítače je kvantový bit – quibit. Zatímco ten tradiční může nabývat jen dvou diskrétních logických stavů 0 a 1, quibit dokáže v takzvané superpozici nabývat obou stavů zároveň.

Mít více možných výpočtů v jednom kroku je jednou z hlavních zbraní kvantového počítače. Miny a Solitaire to sice asi nezrychlí, jinak by tomu ale bylo u složitých paralelních výpočtů. Využití exotických kvantových jevů by mohlo pomoci v modelování, simulacích a optimalizaci všeho druhu. Funkční kvantový počítač by byl také doslova zázračnou technologií pro strojové učení – o propojení těchto technologií se tedy snaží i Google.

A Googlu by jistě pomohlo využití kvantových výpočtů i pro rychlé hledání a indexování internetu. Představte si neseřazenou databázi o velikosti N. Tradiční počítač nalezne v takové databázi cíl za dobu, která má vztah k její velikosti N/2. Lov Grover z Bell Labs však v 90. letech vytvořil teoretický algoritmus pro kvantový počítač, který by k tomu potřeboval čas roven odmocnině N.

Čím by taková teoretická databáze byla větší, tím by byl rozdíl mezi klasickým počítačem a tím kvantovým propastnější:

Čím složitější problém, tím efektivněji by se s ním tedy kvantový počítač vypořádal. Mohl by řešit problémy, které jsou dnes i na těch nejrychlejších superpočítačích naprosto neefektivní.

Nikdo přesně neví, jak má kvantový počítač vlastně vypadat

Jenže to má celé háček. Zatím to funguje především na papíře a v laboratorních podmínkách, kdy vědecké týmy připravují celé měsíce nějaký ten experiment. Univerzální kvantový superpočítač, jak si jej představuje každý laik, neexistuje.

Proč? Protože nikdo pořádně neví, která z jeho konstrukcí je ta pravá. Nyní jsme tedy ve stavu jako před mnoha a mnoha desítkami let ještě hluboko před příchodem integrovaných obvodů, kdy se rodily první elektronické výpočetní stroje, ale každý byl vlastně unikát.

Kvantový počítač musí mít po ruce stabilní quibity v superpozici. Jenže ty můžete vyrobit různými způsoby. Buď to bude silně zchlazený supravodič, anebo třeba osamocený atom fosforu uzamčený v křemíkovém čipu.

A teď si představte, že byste chtěli mít takových quibitů třeba tisíce a miliony. Zatím si to nedokáže představit skoro nikdo, současné prototypy totiž reálně pracují v podstatě jen s jednotkami. Samotná existence quibitu je přitom jen to pomyslné A. Pak potřebujete ještě to B, tedy techniku, která je všechny ovládne a softwarově využije, což není vzhledem k jejich zvláštnímu chování a nestálosti vůbec jednoduché.

Když tomu nerozumíš, tak to alespoň simuluj

K tomu matematici používají simulace quibitových obvodů na běžných počítačích. Kvantový svět je však velmi citlivý na jakékoliv změny. Drobná proměna parametrů má dalekosáhlé následky, a tak jsou simulace obvodů s vícero quibity extrémně náročné na paměť – těch informací, které musí vzít simulace na zřetel, je prostě strašně moc. Specialista na kvantové výpočty Simon Devitt z japonského Rikenu se nechal pro New Scientist slyšet, že v podstatě simulujete chaos.

Simulace mřížky 22 quibitů vyžaduje na klasickém počítači 258 megabajtů paměti. Jenže 42 quibitů už potřebuje 70 terabajtů paměti a simulace pouhých 48 quibitů je zcela za horizontem dnešních možností… Teda pokud nemáte na počítači 2,3 petabajtů RAM.

Za horizontem dnešních možností… To je přece ta meta z úvodu! Výpočetní problém, který je dnes neřešitelný klasickou cestou, ale možná by byl řešitelný pomocí kvantového počítače. A přesně tomu se věnují výzkumníci v Googlu a ve své obsáhlé studii Quantum Supremacy (PDF) by rádi pomocí kvantového počítače simulovali obvod o 50 quibitech.

Pokud jste se v tom celém právě ztratili, je to naprosto v pořádku a normální. Podstaté je to, že pokud se simulování quibitů pomocí reálných quibitů podaří, bude se jednat v prvé řadě o experiment, který snad konečně prokáže, že současné kvantové počítače umí kousky, které klasické počítače nedokážou.

Většina dosavadních experimentů se totiž nakonec vždy setkala s kritikou špatného srovnávání s klasickými počítači a stejně tak v minulosti dopadl i Google, který se loni pochlubil, že provedl jeden z kvantových výpočtů 100 000× rychleji než na klasické mašině.

Souboj o to, komu se to prokazatelně a bez následné kritiky odborné komunity opravdu povede, tak pokračuje a ve hře už dávno není jen Google. Zapojil se Microsoft, IBM, mnozí další a svůj funkční univerzální kvantový počítač chce mít do dvaceti let i Evropská unie, která vědcům na starém kontinentu letos na jaře přiklepla první miliardu eur na další výzkum.