Co je to kvantový počítač a z čeho se skládá? Ne všechny počítače mají nárok na takové jméno. Proč je tomu tak a proč jsou takové instalace potřebné, vysvětluje Christopher Monroe, profesor na University of Maryland a jeden z předních hráčů v globální „kvantové rase“.
Ruské kvantové centrum pravidelně pořádá v Moskvě významné mezinárodní konference věnované vývoji kvantových technologií a jejich praktickému využití. Na práci se podílejí nejen přední vědci, ale také zástupci velkých ruských a zahraničních obchodních a vládních činitelů.
V letošním roce se konference zúčastnili představitelé tří vědeckých týmů vedoucích ve vytváření komplexních kvantových počítačových systémů. Kromě Michaile Lukina, profesora na Harvardské univerzitě (USA), který na předchozí konferenci poprvé oznámil vytvoření rekordního výkonného počítače o 51bitech, zúčastnili se ho profesoři Christopher Monroe a Harmut Neven.
Monroe, který dnes pracuje na univerzitě v Marylandu (USA), vytvořil stroj téměř podobný se svým rusko-americkým protějškem pomocí podobných, ale poněkud odlišných principů.
Mluvil o směru, kterým se tento systém vyvíjí, jak se liší od „konkurentů“a kde leží hranice mezi skutečnými kvantovými počítači, které plně odpovídají tomuto pojmu, a výpočetními systémy, které jsou postaveny na základě klasických principů.
Kvantová nadřazenost
Kvantové počítače jsou speciální výpočetní zařízení, jejichž výkon roste exponenciálně díky použití zákonů kvantové mechaniky v jejich práci. Všechna taková zařízení sestávají z qubits - paměťových buněk a současně primitivních výpočetních modulů schopných uložit rozsah hodnot mezi nulou a jedním.
Propagační video:
V současné době existují dva hlavní přístupy k vývoji takových zařízení - klasické a adiabatické. Zastánci prvního z nich se pokoušejí vytvořit univerzální kvantový počítač, ve kterém by qubits dodržovali pravidla, kterými běžná digitální zařízení pracují. Práce s takovým výpočetním zařízením by se v ideálním případě příliš nelišila od toho, jak inženýři a programátoři používají konvenční počítače.
Adiabatický počítač je jednodušší vytvořit, ale jeho principy fungování jsou blíže k přidání strojů, posuvných pravidel a analogových počítačů z počátku 20. století, nikoli k digitálním zařízením naší doby. Existují také hybridní přístupy, které kombinují vlastnosti obou strojů. Mezi nimi lze podle Monroe připsat počítač Michailu Lukina.
Podle Monroe je to způsobeno tím, že paměťové buňky v jeho stroji jsou postaveny na bázi iontů ytterbia kovů vzácných zemin, jejichž stav se při manipulaci s laserovými paprsky nemění. Lukinův kvantový počítač je zase postaven na základě tzv. Rydbergových atomů, které nejsou před takovými vlivy chráněny.
Jsou to atomy rubidia-87 nebo jiných alkalických kovů, jejichž volný elektron byl „tlačen“do velké vzdálenosti od jádra pomocí speciálních laserových nebo rádiových vlnových pulzů. Z tohoto důvodu se velikost atomu zvětší asi miliónkrát, což z něj udělá qubit, ale, jak vysvětlil Monroe, neumožňuje jeho pohyb bez deformace této struktury a zničení kvantových stavů.
Absence takových problémů v iontech, podle amerického fyzika, dovolila jeho týmu vytvořit ne hybrid, ale plně kontrolovaný kvantový počítač, jehož qubits vědci mohou manipulovat přímo v průběhu práce na počítači.
Například před třemi lety, dávno před vytvořením větších strojů, Monroe a jeho tým oznámili, že se jim podařilo vytvořit první přeprogramovatelný kvantový počítač, který sestával z pěti paměťových buněk. Tento skromný stroj díky své vysoké flexibilitě umožnil fyzikům provádět na něm několik kvantových programů najednou.
Na tomto minipočítači se jim zejména podařilo spustit algoritmy Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani a také vytvořit kvantovou verzi Fourierových transformací, základní kámen kryptografie a její zlomení.
Tyto úspěchy, stejně jako potíže s udržením velkého počtu iontů v pasti, poznamenává Monroe, přiměl ho, aby si myslel, že kvantové výpočetní systémy by měly být postaveny spíše modulární než monolitické. Jinými slovy, „seriózní“kvantové počítače nebudou představovat jediný celek, nýbrž druh sítě sestávající z mnoha podobných a poměrně jednoduchých modulů.
Nedokonalé vakuum
Takové systémy, jak poznamenal americký profesor, již existují, ale dosud se nepoužívají v prototypech kvantových počítačů z jediného jednoduchého důvodu - pracují asi stokrát pomaleji než samotné qubity. Přesto se domnívá, že tento problém je zcela řešitelný, protože má spíše inženýrský než vědecký charakter.
Dalším potenciálním problémem, který bude rušit fungování monolitických nebo jen velkých kvantových počítačů, je to, že vakuum, jak to řekl Monroe, není dokonalé. Vždy obsahuje malé množství molekul, z nichž každá se může srážet s atomovými qubity a narušovat jejich práci.
Jediným způsobem, jak to překonat, je dále ochladit kvantový počítač co nejblíže absolutní nule. Tým společnosti Monroe se toho zatím nezabývá, protože počet qubitů v jejich stroji je malý, ale v budoucnu bude tento problém určitě vyřešen.
Modulární přístup, jak navrhuje americký profesor, bude dalším způsobem, jak tento problém vyřešit, protože umožní rozbití počítače na mnoho nezávislých částí obsahujících relativně malé množství qubits. Teoreticky to nebude běžet tak rychle jako monolitický stroj, ale obejde se problém „nedokonalého vakua“, protože moduly budou snadněji ochlazovat a ovládat.
Kdy přijde tentokrát? Jak navrhuje Monroe, v příštích třech až pěti letech budou vytvořeny stroje, které obsahují několik set qubits. Budou schopni provádět několik desítek tisíc operací a nebudou vyžadovat provoz extrémních systémů chlazení nebo korekce chyb.
Takové stroje budou schopny řešit mnoho složitých praktických problémů, ale nebudou to plnohodnotné počítače v klasickém slova smyslu. Chcete-li to provést, budete muset zvýšit počet qubits a "učit" je samostatně opravit chyby v jejich práci. Podle fyziků to bude trvat dalších pět let.
Konečný úsek závodu
První složité kvantové počítače budou podle Monroe postaveny na základě iontových nebo atomových technologií, protože všechny ostatní verze qubitů, včetně slibných polovodičových paměťových buněk, dosud nedosáhly podobné úrovně vývoje.
"Zatím to jsou všechny univerzitní laboratorní experimenty." Tyto qubity nelze použít k vytvoření úplných logických bran. Proto souhlasím s Mikhailem, že naši kolegové z Austrálie, Intelu a dalších týmů budou muset vyřešit řadu praktických problémů, než budou moci vytvořit plnohodnotný výpočetní systém, “poznamenává fyzik.
Jak určit vítěze v této „kvantové rase“? Před dvěma lety se Monroe a jeho kolegové pokusili odpovědět na tuto otázku uspořádáním prvního srovnávacího testování kvantových počítačů. Jako konkurent pro první verzi svého počítače vybrali kvantový počítač IBM založený na supravodivých qubits.
Pro jejich srovnání připravili fyzici a programátoři z University of Maryland první sadu „kvantových měřítek“- jednoduché algoritmy, které měří přesnost a rychlost těchto počítačů. Test neodhalil přímého vítěze - počítač společnosti Monroe a jeho týmu vyhrál přesně, ale ztratil rychlost na počítači IBM.
Monroe zároveň věří, že tzv. Kvantová nadřazenost - vytvoření kvantového počítače, jehož chování nelze vypočítat jinými metodami - nebude vážným vědeckým nebo praktickým úspěchem.
„Problém spočívá v samotné koncepci. Na jedné straně, naše experimenty s pěti desítkami qubits, stejně jako Michailovy experimenty, pomohly vypočítat ty věci, které nelze jinak spočítat. Na druhou stranu to nelze nazvat nadřazenost, protože nemůžeme dokázat, že to nelze skutečně spočítat jinými způsoby. Kvantová nadřazenost se objeví dříve nebo později, ale osobně se za to nebudu honit, “zdůraznil vědec.
Další problém spočívá v tom, že zatím nemůžeme s jistotou říci, které problémy kvantových počítačů lze vyřešit a kde bude jejich aplikace nejpodstatnější a nejužitečnější. K tomu je nezbytné, aby vědecké prostředí i celá společnost začaly takové stroje vnímat jako cenově dostupný a univerzální nástroj.
Kvantová tajemství vesmíru
Z tohoto důvodu americký profesor nevěří, že adiabatické počítačové systémy, jako jsou zařízení D-Wave, lze nazvat kvantovými počítači. Jejich práce je podle fyziky založena na zcela klasických fyzikálních principech, které nemají nic společného se skutečnou kvantovou mechanikou.
„Přesto jsou analogové počítače z praktického hlediska velmi zajímavé. Můžete jednoduše vzít několik magnetů, připojit je k trojúhelníkové síti a sledovat jejich chování. Tyto experimenty nebudou mít nic společného s kvantovou fyzikou, ale umožní některé komplexní výpočty optimalizace. Investoři se o ně zajímají, což znamená, že se tak nestane zbytečně, “pokračuje profesor.
Jaké úkoly dokáže „skutečný“kvantový počítač vyřešit? Jak poznamenal Monroe, v posledních letech mnoho jeho týmů fyziků kontaktovalo jeho tým. Plánují používat svůj stroj k řešení mnoha důležitých vědeckých problémů, které nelze vypočítat na běžném počítači.
Zatím stejné experimenty, jak přiznal fyzik, lze provádět na běžných superpočítačích. Na druhé straně v příštích letech se počet qubitů v kvantových strojích výrazně zvýší, což způsobí, že jejich práce nebude spočítána.
Tím se rozšíří jejich použitelnost a učiní z těchto experimentů jeden z nejzajímavějších a jedinečných způsobů studia nejrozsáhlejších a nejzáhadnějších předmětů ve vesmíru a také vyřeší mnoho každodenních úkolů, jako je hledání cest nebo řízení ekonomiky, uzavírá výzkumník.