Po desetiletích tvrdé práce bez velké naděje na úspěch se kolem kvantového počítání náhle vyvinula hektická aktivita. Téměř před dvěma lety IBM ukázala světu kvantový počítač s pěti kvantovými bity (qubity), které nyní (což zní trochu podivně) nazývají IBM Q Experience. Tehdy bylo toto zařízení pro vědce spíše hračkou než nástrojem pro seriózní zpracování dat. Do projektu se však zaregistrovalo 70 tisíc uživatelů z celého světa a doposud se počet qubitů ztrojnásobil. Před několika měsíci IBM a Intel oznámily vytvoření kvantových počítačů s 50 a 49 qubity. Je také známo, že v křídlech uvnitř stěn Google čeká další počítač. "Komunita je plná energie a nedávné průlomy jsou úžasné."- říká fyzik Jens Eisert z Svobodné univerzity v Berlíně.
V současné době se mluví o blížící se „kvantové nadřazenosti“: o době, kdy kvantový počítač bude schopen vykonat úkol nad rámec moci i těch nejsilnějších klasických superpočítačů. Pokud porovnáme pouze čísla, pak se takové prohlášení může zdát směšné: 50 qubits versus miliardy klasických bitů v jakémkoli notebooku. Ale smyslem kvantového výpočtu je, že kvantový bit je schopen mnohem více než klasický. Dlouho se věřilo, že 50 qubitů bude stačit k provádění výpočtů, které by běžný počítač vykonával neomezeně dlouho. V polovině roku 2017 vědci společnosti Google oznámili, že do prosince projeví kvantovou nadřazenost. (Na nedávnou žádost o nová data odpověděl tiskový mluvčí společnosti: „Výsledky oznámíme,jakmile budou dostatečně odůvodněny, ale prozatím se provádí důkladná analýza stávajícího vývoje. “)
Rád bych dospěl k závěru, že všechny hlavní problémy lze vyřešit a budoucnost, v níž jsou kvantové počítače všudypřítomným jevem, je jen otázkou technického vybavení. Ale bude se mýlit. Fyzické problémy v jádru kvantové práce na počítači nejsou zdaleka vyřešeny.
I když brzy vstoupíme do éry kvantové nadvlády, další nebo dva roky by mohly být rozhodující - změní kvantové počítače opravdu úplně způsob, jakým pracujeme s výpočetní technikou? Sázky jsou stále vysoké a neexistuje žádná záruka, že cíl bude splněn.
Drž hubu a spočítej
Jak přínosy, tak výzvy kvantového zpracování dat jsou vlastní fyzice, která to umožňuje. Základy již byly řečeny více než jednou, ačkoli to nebylo vždy objasněno, co kvantová mechanika vyžaduje. Klasické počítače ukládají informace a zpracovávají je v binárním kódu (0 nebo 1). U kvantových počítačů je situace téměř stejná, pouze každý bit je v takzvané superpozici, to znamená, že může být 0 i 1 současně. To znamená, že stav qubit lze určit pouze s určitým stupněm pravděpodobnosti.
Aby bylo možné provést výpočet s velkým počtem qubitů, musí být všechny v vzájemně závislých superpozicích - ve stavu „kvantové koherence“, ve kterém jsou všechny qubity považovány za zapletené. V takovém případě může nejmenší změna v jednom obvodu ovlivnit všechny ostatní. To znamená, že výpočetní operace používající qubity mají vyšší výkon než použití klasických bitů. V klasickém zařízení jsou výpočetní schopnosti jednoduše závislé na počtu bitů, ale přidání každého nového qubitu zvyšuje možnosti kvantového počítače 2krát. Proto je rozdíl mezi 5-ti a 5-tibitovým zařízením tak významný.
Propagační video:
Poznámka: Neřekl jsem, jak se často dělá, že výhoda kvantového počítače oproti klasickému spočívá v existenci superpozic, které výrazně zvyšují počet možných stavů kódovaných informací. Jak jsem neřekl, zapletení umožňuje provádět mnoho výpočtů současně. (Ve skutečnosti není vysoký stupeň zapletení qubitů předpokladem.) V tom je určitá pravda, ale žádné z výroků nepopisuje podstatu kvantového výpočtu.
Kvůli složitosti pochopení kvantové mechaniky je vysvětlování, proč je kvantové výpočty tak silné, skličující úkol. Rovnice kvantové teorie rozhodně ukazují, že to bude fungovat - alespoň s některými druhy výpočtů: faktoring nebo prohledávání databáze proces značně urychlí. Ale kolik přesně?
Snad nejbezpečnějším způsobem, jak popsat kvantové výpočty, je říci, že kvantová mechanika nějakým způsobem vytváří „možnosti“pro výpočet, které nejsou dostupné klasickým zařízením. Jak uvedl fyzik Daniel Gottesman z Perimetrického ústavu pro teoretickou fyziku (Perimeter Institute) ve Waterloo, poznamenal: „Je-li k dispozici dostatek kvantové mechaniky, pak proces v určitém smyslu zrychluje, a pokud ne, není.“
I když některé body jsou stále jasné. Kvantové počítání vyžaduje, aby všechny qubity byly koherentní, což je extrémně obtížné implementovat. Interakce systému koherentních křižovatek s prostředím vytváří kanály, kterými koherence rychle „uniká“. Tento proces se nazývá decoherence. Vědci, kteří plánují postavit kvantový počítač, musí zabránit dekódování. Nyní ji dokážou zastavit jen na zlomek vteřiny. Situace se stává složitější, když se zvyšuje počet qubitů, a tedy i schopnost interakce s prostředím. To je důvod, proč ačkoli myšlenka kvantových počítačů byla poprvé navržena Richardem Feynmanem již v roce 1982 a teorie byla vyvinuta na počátku 90. let, zařízení schopná provádět skutečný výpočet byla vytvořena teprve nyní.
Kvantové chyby
Existuje druhý hlavní důvod, proč je vytváření kvantového počítače tak obtížné. Jako každý jiný proces na světě vytváří hluk. Náhodné výkyvy, které vznikají, řekněme, v důsledku teploty qubits nebo v důsledku zvláštností základních kvantových mechanických procesů, mohou změnit směr nebo stav qubit, což vede k nepřesným výpočtům. Taková hrozba existuje při práci s klasickými počítači, ale je docela snadné ji vyřešit. Musíte pouze vytvořit dvě nebo více záloh každého bitu, aby se náhodně převrácený bit nepočítal.
Vědci pracující na vytvoření kvantového počítače vyvinuli několik způsobů řešení problému, ale všechny strategie vedou ke vzniku příliš mnoha dalších výpočetních nákladů, protože veškerý výpočetní výkon je vynakládán na opravy chyb a ne na provádění daných algoritmů. „Současná míra chyb významně omezuje dobu, po kterou může výpočet trvat,“vysvětluje Andrew Childs, společný ředitel Společného centra pro kvantové informace a výpočetní vědy na University of Maryland. "Musíme výrazně zlepšit výsledky, pokud chceme vytvořit něco zajímavého."
Mnoho výzkumu v oblasti základního kvantového zpracování se zaměřuje na techniky oprav chyb. Část složitosti problému pramení z jiné klíčové vlastnosti kvantových systémů: superpozice lze udržovat pouze tehdy, pokud neměříte hodnotu qubit. Měření zničí superpozici a povede k určité hodnotě: 1 nebo 0. Jak zjistíte, zda došlo k chybě v činnosti quitu, pokud nevíte, v jakém stavu bylo?
Jedno chytré schéma navrhuje použití nepřímého výpočtu kombinací qubit s druhým pomocným qubit. Ten není zahrnut do výpočtu, takže jeho měření neovlivní stav hlavního qubit. Je však poměrně obtížné jej implementovat. Toto řešení znamená, že k vytvoření skutečného „logického qubitu“, který je odolný vůči chybám, je zapotřebí mnoho fyzických qubits.
Kolik? Kvantový teoretik Alan Aspuru-Guzik z Harvardské univerzity věří, že vytvoření logického qubitu bude trvat asi deset tisíc fyzických qubits, což v současné době není možné. Podle něj, pokud vše půjde dobře, se toto číslo sníží na několik tisíc nebo dokonce stovky. Aisert není tak pesimistický a věří, že bude stačit asi osm set fyzických qubitů, ale připouští, že i v této situaci „dodatečné náklady na výpočetní výkon budou stále velké.“Musíte najít způsob, jak se vypořádat s chybami.
Existuje alternativa k opravě chyb. Mohou se jim vyhnout nebo jim zabránit v tom, co se nazývá zmírňování chyb. Vědci v návrhových obvodech IBM matematicky vypočítají pravděpodobnost chyby a výsledek pak vezmou jako nulový šum.
Někteří vědci se domnívají, že problém s opravou chyb zůstane nevyřešený a zabrání kvantovým počítačům dosáhnout jejich předpovídané výšky. „Vytváření kvantových kódů opravujících chyby je mnohem obtížnější než prokazování kvantové nadřazenosti,“vysvětluje Hebrejská univerzita v Izraeli matematik Gil Kalai. Dodává také, že „zařízení pro opravu chyb jsou ve svých výpočtech velmi primitivní a nadřazenost nemůže být založena na primitivitě.“Jinými slovy, kvantové počítače nebudou překonávat klasické počítače, pokud nebudou eliminovány chyby.
Jiní vědci věří, že problém bude nakonec vyřešen. Jedním z nich je Jay Gambetta, kvantový počítačový vědec v Centru IBM pro kvantové výpočty. Thomas J. Watson. "Naše nedávné experimenty prokázaly základní prvky korekce chyb u malých zařízení, což zase vydláždí cestu pro větší zařízení, která mohou spolehlivě ukládat kvantové informace po dlouhou dobu v přítomnosti šumu," říká. Gambetta však také připouští, že i při současném stavu „stále existuje dlouhá cesta k vytvoření univerzálního kvantového počítače odolného proti chybám pomocí logických qubits“. Díky tomuto výzkumu je Childs optimistický. "Jsem si jist, že uvidíme ukázku ještě úspěšnějších experimentů [oprava chyb], ale,bude to pravděpodobně trvat dlouho, než začneme používat kvantové počítače pro skutečné výpočty. “
Bydlení s chybami
V blízké budoucnosti budou kvantové počítače nefunkční. Vyvstává otázka: jak s tím žít? Vědci IBM říkají, že v dohledné budoucnosti se oblast výzkumu „přibližné kvantové práce s počítačem“zaměří na nalezení způsobů, jak se přizpůsobit šumu.
To vyžaduje vytvoření takových algoritmů, které povedou ke správnému výsledku a ignorují chyby. Tento proces lze porovnat s počítáním volebních výsledků, které neberou v úvahu rozmazlené hlasování. "I když to udělá nějaké chyby, dostatečně velký kvalitativní kvantový výpočet by měl být efektivnější než [klasický]," říká Gambetta.
Zdá se, že jedna z novějších aplikací této technologie tolerantnější vůči chybám má pro vědce větší hodnotu než pro celý svět: modelování materiálů na atomové úrovni. (Ve skutečnosti to byla motivace, která vedla Feynmana, aby přišel s myšlenkou kvantových počítačů.) Rovnice kvantové mechaniky popisují, jak se počítá stabilita nebo chemická reaktivita (například v molekulách léčiva). Ale tyto rovnice nelze vyřešit bez použití mnoha zjednodušení.
Podle Childse je však kvantové chování elektronů a atomů „relativně blízké přirozenému chování kvantového počítače“. To znamená, že lze vytvořit přesný počítačový model molekuly. "Mnoho členů vědecké komunity, včetně mě, věří, že první úspěšná aplikace kvantového počítače bude spojena s kvantovou chemií a materiálovou vědou," říká Aspuru-Guzik: byl jedním z prvních, kdo začal tlačit kvantové výpočty tímto směrem.
Kvantové modelování je užitečné i na těch nejmenších kvantových počítačích, které máme dnes k dispozici. Tým vědců, který zahrnuje Aspuru-Guzik, vyvinul algoritmus, který nazvali „Variační metoda pro řešení problémů v kvantové mechanice“(dále jen VMR). Tento algoritmus vám umožní najít nejméně energeticky náročné stav molekuly, a to i v hlučných qubits. V tuto chvíli dokáže zvládnout jen velmi malé molekuly s několika elektrony. Klasické počítače tuto úlohu provádějí dobře. Síla kvantové energie však neustále roste, jak ukázali Gambetta a kolegové loni v září, když pro výpočet elektronické struktury molekul, jako je lithiumhydrid a berylium hydrid, použili šestikilometrové zařízení. Práce byla „významným průlomem pro kvantové vědy“jak uvedl chemický fyzik Markus Reicher ze švýcarské Vyšší technické školy v Curychu. „Použití BMP k modelování malých molekul je skvělým příkladem toho, jak lze použít krátkodobé heuristické algoritmy,“říká Gambetta.
Ale podle Aspuru-Guzika budou logické qubity schopné opravit chyby ještě předtím, než kvantové počítače předběhnou klasické. "Nemůžu se dočkat, až se kvantové zpracování chyb opraví na chyby," poznamenal.
"Kdybychom měli více než dvě stě bitů, mohli bychom dělat opravdu inovativní věci," dodal Reicher. "A s 5 000 qubity by kvantový počítač mohl mít významný dopad na vědu."
Jaký je váš objem?
Těchto cílů je neuvěřitelně obtížné dosáhnout. Přes všechny obtíže, kvantové počítače od pěti do 50 bitů za rok - tato skutečnost dává naději. Nenechte se však na tato čísla příliš zavěsit, protože vyprávějí jen malou část příběhu. Nyní to není o kolik qubitsů máte důležitější, ale jak dobře fungují a jak efektivní jsou algoritmy, které jste vyvinuli.
Jakýkoli kvantový výpočet končí dekódováním, které zamíchá qubity. Obvykle je doba decoherence pro skupinu qubits několik mikrosekund. Počet logických operací, které lze provádět v tak krátké době, závisí na rychlosti přepínání kvantové brány. Pokud je rychlost příliš nízká, nezáleží na tom, kolik máte k dispozici. Počet operací vyžadovaných pro daný výpočet se nazývá hloubka výpočtu: algoritmy s nízkou hloubkou jsou efektivnější než algoritmy s hloubkou. Není však jisté, zda jsou užitečné při výpočtech.
Navíc ne všechny qubity jsou stejně hlučné. Teoreticky je možné vytvořit nízkošumové qubity z materiálů, které jsou v takzvaném „topologickém elektronickém stavu“: pokud jsou částice v tomto stavu použity pro kódování binární informace, bude chráněna před náhodným šumem. Ve snaze najít částice v topologickém stavu vědci společnosti Microsoft primárně studují exotické kvantové materiály. Neexistuje však žádná záruka, že jejich výzkum bude úspěšný.
Chcete-li označit sílu kvantového zpracování na konkrétním zařízení, vědci v IBM vytvořili termín „kvantový objem“. Toto číslo spojuje všechny důležité faktory: hloubku algoritmu, počet a propojitelnost qubits, jakož i další ukazatele kvality kvantových bran (například šum). Obecně tento „kvantový objem“charakterizuje sílu kvantového zpracování. Podle společnosti Gambetta je nyní nutné vyvinout kvantové výpočetní zařízení, které zvýší dostupný kvantový objem.
To je jeden z důvodů, proč je vychvalovaná kvantová nadvláda poněkud vágní. Myšlenka, že 50-kvantový počítač překoná moderní superpočítače, zní zvukově atraktivní, ale zůstává mnoho nevyřešených otázek. Když přesně řešíte, jaké problémy překonává kvantový počítač superpočítače? Jak lze zjistit, zda kvantový počítač obdržel správnou odpověď, pokud jej nelze ověřit klasickým zařízením? Co když je klasický počítač efektivnější než kvantový počítač, pokud je nalezen lepší algoritmus?
Kvantová nadřazenost je tedy koncept, který vyžaduje opatrnost. Někteří vědci raději mluví o „kvantové výhodě“, o skoku ve vývoji kvantových technologií, než o konečném vítězství kvantových počítačů před běžnými. Většina se navíc pokouší nepoužívat slovo „nadřazenost“, protože obsahuje negativní politické a rasistické konotace.
Bez ohledu na jméno, pokud budou vědci schopni prokázat, že kvantové počítače mohou provádět úkoly, které klasická zařízení nemohou dělat, bude to pro tento obor mimořádně důležitý psychologický okamžik. „Demonstrace nesporné kvantové výhody půjde v historii dolů. To prokáže, že kvantové počítače mohou skutečně rozšířit naše technologické možnosti, “říká Aizert.
Možná to bude spíše symbolická událost než radikální změna v oblasti výpočetní techniky. Přesto je třeba věnovat pozornost. Pokud kvantové počítače překonají konvenční počítače, nebude to proto, že je IBM a Google náhle uvedou na trh. K dosažení kvantové nadřazenosti je třeba vytvořit složitý systém interakce mezi vývojáři a uživateli. A ten druhý musí být pevně přesvědčen, že novinka stojí za vyzkoušení. V rámci této spolupráce se IBM a Google snaží uživatelům co nejrychleji poskytnout jejich vývoj. Společnost IBM dříve nabízela všechna přihlášení k webu na svém 16bitovém počítači IBM Q. Nyní společnost vyvinula 20bitovou verzi pro firemní klienty včetně JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung a Oxfordské univerzity. Tato spolupráce nejen pomáhá klientům najít něco užitečného a zajímavého, ale také vytváří kvantově gramotnou komunitu programátorů, kteří budou rozvíjet nové funkce a řešit problémy, které nelze vyřešit v rámci jedné společnosti.
„Aby se oblast kvantového zpracování dat mohla aktivně rozvíjet, musíte dát lidem příležitost používat a studovat kvantové počítače,“říká Gambetta. "Celý vědecký a průmyslový svět se nyní musí soustředit na jeden úkol - přípravu na éru kvantových počítačů."
Překlad projektu Nový
Philip Ball
