Na stránkách NASA se nedávno krátce objevil zřejmě omylem zveřejněný koncept studie, v níž Google tvrdí, že dosáhl tzv. „kvantové nadvlády“. Vědci Googlu totiž podle všeho sestrojili kvantový počítač, který dokáže provést určitou úlohu v řádu minut, zatímco nejvýkonnější běžný superpočítač dneška by ji řešil asi 10 tisíc let.
Znamená to revoluci? Spíše ne. Kvantové počítače jsou velmi komplikovaná záležitost, jejíž hlavní úskalí i přednosti si v dnešním článku ze série SMARTtech shrneme. Cílem článku je přiblížit pojem kvantový počítač běžnému čtenáři. V žádném případě si za cíl neklademe přinést exaktní vysvětlení fyzikálního fungování těchto přístrojů.
Jak kvantový počítač funguje?
Na Wikipedii se dočteme, že kvantový počítač „využívá při svojí činnosti fenomény známé z kvantové mechaniky, jako je například superpozice nebo kvantové provázání, na vykonávání operací s daty.“
Tato definice obsahuje klíčové fyzikální vlastnosti, na jejichž základě kvantové počítače fungují. Běžné počítače používají jako základní jednotku bity, které mohou mít hodnotu buď 0, nebo 1. Kvantový počítač oproti tomu pracuje s qubity [kjubity], které kromě těchto mezních stavů zahrnují také superpoziční stavy, tedy hodnoty mezi nulou a jedničkou.
V průběhu samotného výpočtu počítač pracuje právě s těmito „mezistavy“. Před dokončením výpočtu je však každému qubitu „přidělena“ hodnota 1, nebo 0, podle toho, k jaké hodnotě byl jeho superpoziční stav blíž.
Druhým termínem z Wikipedie je kvantové provázání, což je označení zvláštní fyzikální schopnosti qubitů navzájem ovlivňovat svůj stav. To je důležité mimo jiné z toho důvodu, že kvantové počítače na rozdíl od těch běžných z principu chybují. Aby jejich výpočty měly relevanci, je tak třeba část jejich výkonu využít ke korekci těchto chyb. A právě provázanost qubitů umožňuje tyto chyby odhalit a napravit.
K čemu jsou kvantové počítače dobré?
Kvantové počítače mají jednu zásadní výhodu oproti těm běžným. Díky výše zmiňovanému principu superpozice totiž dokáží najednou provádět danou operaci se všemi vstupy z určité rozsáhlé množiny najednou. Zatímco klasický počítač by v takovém případě musel provádět výpočty postupně, což by trvalo násobně déle.
V určitých specializovaných výpočtech by tak kvantové počítače měly poskytovat dosud netušený výkon. Jde zejména o různé prohledávání nestrukturovaných databází, vypočítávání pravděpodobností, chemický a vesmírný výzkum a podobně. Vedlejším efektem by bylo také ohrožení bezpečnosti současných šifrovacích klíčů, které by teoreticky měl kvantový počítač snadno prolomit.
Jistým omezením nicméně je to, že typů úloh, které dokáží kvantové počítače řešit, a zároveň to dokáží výrazně rychleji než ty běžné, je zatím relativně málo. Otázkou je, jestli to je dáno tím, jak moc specifické úlohy musí být, nebo jednoduše jen jakýmsi nedostatkem „představivosti“.
Mooreův zákon narazí na limit
Dalším teoretickým přínosem kvantových počítačů je to, že umožní další nárůst výpočetního výkonu v duchu Mooreova zákona.
Ten byl vysloven v roce 1965 spoluzakladatelem Intelu Gordonem Moorem a říká, že počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod určité velikosti, se při zachování ceny zhruba každé dva roky zdvojnásobí. Pravidlo bylo později upraveno Davidem Housem tak, že se počet tranzistorů zdvojnásobí každých 18 měsíců.
Toto pravidlo velmi přesně předpovědělo vývoj počítačů na desítky let dopředu. V poslední době se však začíná ukazovat, že tento zákon platí čím dál tím méně. Je to dáno vysokým stupněm miniaturizace, kdy už jednoduše náklady na výrobu omezují tempo vývoje. S tím, jak se velikost rezistorů s další miniaturizací bude dále přibližovat velikosti pouhého atomu, dojde navíc i k dosažení fyzikálních limitů.
Dalším krokem jsou pak už právě kvantové počítače, které teoreticky umožňují prolomit i tuto hranici a pokračovat v exponenciálním růstu výkonu. K tomu se ale ještě dostaneme na konci článku.
Hudba budoucnosti, nebo nerealistický koncept?
Zatím poněkud tajemný kvantový počítač Googlu podle všeho poprvé dokázal, že je v určité oblasti výrazně lepší než běžné počítače. Problém však je, že tento počítač zřejmě dokáže řešit jen jeden typ – byť velmi komplexní – úlohy. Praktické využití tak podle samotných autorů ještě není na pořadu dne.
To ostatně lze říci o všech v současnosti existujících kvantových počítačích. Jde vesměs o pokusy, které sice někdy už slouží ke konkrétním účelům, nicméně jde o natolik úzkou specializaci, že nelze příliš mluvit o nějaké revoluci.
Vědci se navíc ani neshodují na tom, zda vůbec je reálné vyrobit univerzální kvantový počítač, který bude schopen spolehlivě řešit široké spektrum úloh. Podle některých je to otázka necelých deseti let. Většina mluví spíše o dvou až třech dekádách, ale jsou i tací, kteří celý tento koncept považují za nereálný. Jde jednoduše o tak složité zařízení, že nemusí být možné teoretické principy přetvořit do prakticky využitelné podoby.
Navzdory pravidelně se objevujícím zprávám o menších či větších úspěších ve výzkumu kvantových počítačů, tak asi není od věci udržet si jistou míru skepse. Výzkum totiž trvá již desítky let, spolykal obrovské množství finančních prostředků soukromých firem i daňových poplatníků, ale hmatatelných výsledků příliš mnoho není.
Vraťme se ale ještě krátce k dnes již nedostupné studii Googlu. Její tvůrci podle Financial Times naopak vůbec nešetří optimismem a v textu dokonce uvedli, že očekávají nárůst výkonu kvantových strojů dvojnásobnou exponenciální rychlostí Mooreova zákona. Nezbývá tedy než doufat, že mají pravdu.
