Kvantové počítače přicházejí
IBM letos na jaře úspěšně otestovala své dva nejsilnější kvantové procesory a minulý měsíc dosáhla dalšího významného úspěchu, který představuje historický průlom - předvedla nový kvantový počítač.
Kvantový počítač je zařízení, které využívá jevy z kvantové mechaniky, s jejichž pomocí je schopen pracovat mnohem rychleji než běžné počítače. Dovede např. zkoumat všechna potenciální řešení zadaného úkolu najednou. Vyvinout komerčně využitelné kvantové systémy se snaží řada firem: IBM, Google, Intel, Microsoft či kanadská D-Wave Systems aj.
IBM se podařilo vytvořit kvantový počítač s využitím superpočítače Vulcan v americké Lawrence Livermore National Laboratory. Počítač disponuje 50 kvantovými bity (qubity) a míří k novému způsobu zpracování informací. Jak se uvádí v prohlášení firmy, zařízení této velikosti se blíží k takzvané kvantové nadřazenosti - „supermacy“. Tato nadvláda tkví v tom, že takto složitý systém by nezvládl konvenční superpočítač, je realizovatelný jen na skutečném kvantovém počítači. Tato hranice, která už přesahuje možnosti klasických, byť extrémně výkonných počítačů, představuje právě výpočty s padesáti a více kvantovými bity.
Rychlý, ale náročný svět qubitů
Kvantový bit nebo-li qubit může oproti klasickému bitu mít díky zvláštním vlastnostem kvantového světa hned několik různých stavů zároveň. Klasický bit se může vyskytovat pouze v jednom ze dvou stavů: 0 nebo 1. S tímto rozdílem je qubit schopen během jednoho momentu zpracovat více operací současně, a to v pozoruhodném množství. Dva propojené qubity zvládnou v jeden okamžik zpracovat 22 operací, 3 qubity 23 operací a 56 qubitů 256 operací, což by na klasickém počítači vyžadovalo extrémní množství paměti - a času. Simulace kvantového systém o 42 qubitech by vyžadovala zařízení se 70 TB RAM. Švýcarští vědci např. pro simulaci 45qubitového systému použili superpočítač Cori II s 500 TB paměti a výkonem 14,01 Pflops (v seznamu TOP 500 SC veden jako 6. nejvýkonnější na světě) a systém se 48 qubity už spotřebuje dokonce enormních 2,3 PB RAM.
Inženýři IBM se tento problém pokusili (jak vidět úspěšně) vyřešit pomocí chytrého způsobu optimalizace, kdy celou simulaci rozdělili na menší části. Tím dokázali simulovat mnohem složitější systém na superpočítači, který i přes svůj obří výpočetní potenciál nepatří mezi nejvýkonnější stroje. Vulcan s výkonem 4,3 Pflops figuruje v superpočítačovém žebříčku TOP500 až 23. místě a je vybaven „pouze“ 3 TB RAM. Díky této nové technice simulace je tak možné testovat mnohem komplikovanější kvantové virtuální počítače, což pomůže k vývoji těch skutečných.
I když jde o přelomový krok ve výzkumu kvantových počítačů, rozhodně to ještě neznamená, že jejich éra je už na dosah, byť s těmito myšlenkami marketingově operuje např. kanadská D-Wave. Její systémy však ještě nejsou skutečnými kvantovými počítači v pravém slova smyslu, i když je takto označuje.
Qubity ve všech dnešních kvantových počítačích se dokážou udržet v kvantovém stavu jen zlomek sekundy - IBM se podařilo dosáhnout sice zatím rekordní dobu 90 µs, což ale pořád nestačí pro praktické využití. Přestože dokázali na superpočítači simulovat 50qubitový kvantový systém, vyžádalo si to úsilí v řádů několika dnů, zatímco skutečnému kvantovému počítači by i takto výpočetně náročný úkol trval pouhé zlomky sekund. Navíc ideální prakticky komerčně či vědecky využitelný univerzální kvantový počítač, který by mohl vysokou rychlostí provádět libovolné výpočty, by potřeboval pro svou práci řádově vyšší počet qubitů. Nicméně pro komerčně využitelné úkoly IBM plánuje ještě do konce letošního roku vytvořit menší kvantový počítač s 20 qubity, který by zpřístupnila ve své cloudové platformě.
Google (snad) ještě letos...
Na projektu kvantového počítače pracuje i Google. Loni v létě publikoval studii Quantum Supermacy, v níž popisuje aplikaci, jež by měla prokázat, že kvantové počítače opravdu dokážou spočítat věci pro tradiční superpočítače nemožné a hodlá ještě do konce roku představit kvantový počítač o 49 qubitech, který by na matici 7 x 7 qubitů simuloval matematický chaos kvantového světa.
... Evropa do roku 2035?
Na vývoji vlastního kvantového počítače budou pracovat i evropští vědci, kteří se znepokojením sledují, jak jim v nejvýkonnějších počítačových technologiích, kde nyní udává tempo hlavně Čína a USA, začíná ujíždět vlak. Loni proto komunita více než tří tisíc evropských akademických institucí i podniků podepsala tzv. Kvantový manifest, apelující na EU, aby zajistila financování projektu zaměřeného na intenzivnější technologický výzkum v oblasti. Jejich výzva se nakonec setkala s ohlasem a Evropská komise v květnu odsouhlasila plán Quantum Technology Flagship (QTF), který by měl odstartovat v roce 2018. Do roku 2035 by měl s pomocí prvotní investice miliardy eur (lze předpokládat, že skutečné náklady budou mnohem vyšší) umožnit evropským výzkumníkům vyvinout univerzální kvantový počítač. Cílem programu je proměnit primární kvantový výzkum v aplikovaný a využít kvantovou fyziku pro nové kvantové technologie uplatnitelné v praxi, např. v oblasti telekomunikací či elektroniky využívající chytré senzory.
A evropské kvantové aktivity už přinášejí první výsledky. Firma Atos představila na podzim simulátor nazvaný Atos Quantum Learning Machine, který označuje za první komerčně dostupný systém na světě schopný simulovat až 40 qubitů. Je dílem laboratoří Atos Quantum, které jsou prvním velkým programem pro rozvoj v oblasti kvantových počítačů v Evropě. Je poháněn ultrakompaktním superpočítačem a využívá 100% kvantový univerzální programovací jazyk aQasm (Atos Quantum Assembly Language), který lze používat nejen na kvantovém simulátoru, ale i na kvantových akcelerátorech nebo fyzických kvantových počítačích. Díky své univerzální konfiguraci dovoluje vývoj tzv. konektorů, které přenášejí programy z jiných kvantových simulátorů a umožňuje tak výzkumným pracovníkům a studentům, aby již dnes vyvíjeli a testovali kvantové aplikace a algoritmy budoucnosti.
346
