Kvantové počítače jsou na cestě k nadřazenosti 

Mark Novotny pracuje s prvním skutečným kvantovým počítačem na světě – tedy prvním, který opustil laboratoře a ocitl se na trhu jako komerčně dostupné zařízení. Podle vědce, jenž letos v rámci Fulbrightova stipendia přednáší na Matematicko-fyzikální fakultě UK, jinak ale působí na Mississippské státní univerzitě, již není daleko doba, kdy kvantové počítače překonají ty klasické.

Máte české jméno. Pocházejí vaši předkové z Čech?

Můj pradědeček přišel do Ameriky v šedesátých letech 19. století z Prahy. Jméno je české, ale český jazyk naše rodina bohužel v průběhu generací ztratila.

Na dálku, přes internet, pracujete s kvantovým počítačem D-Wave, který je umístěn v Amesově výzkumném středisku NASA v Kalifornii. Jak vypadá?

Jako velká lednice, héliová lednice o rozměrech menší místnosti. Sám kvantový čip je ale jen malá destička chlazená na teplotu pouhých 12 až 15 tisícin Kelvinu, což je jen nepatrně nad absolutní nulou (absolutní nula je -273,15 ˚C, pozn. aut.). Na tomto čipu o rozměrech několika čtverečních centimetrů probíhají výpočty.

Podle jakého principu?

V normálním počítači se bity, jednotky informace, skládají z nul a jedniček. Klasický bit je tedy buď jednička, nebo nula. Kvantové zařízení pracuje s kvantovými bity, které mohou současně nabývat hodnoty nula, jedna a všech hodnot mezi tím. Říkáme, že kvantový bit je superpozicí stavu nula a stavu jedna. Ilustruje to známý příměr se Schrödingerovou kočkou, která může být živá a mrtvá současně.

Díky kvantovým jevům může stroj pracovat mnohem rychleji než běžné počítače – dovede zkoumat všechna potenciální řešení zadané úlohy najednou. Jak se to projevuje v praxi?

Když jsem s kvantovým počítačem začínal pracovat, byl jsem skeptik. Nevěřil jsem, že se skutečně bude chovat podle představ svých konstruktérů. Se svou skupinou jsem testoval D-Wave, který tehdy měl 500 kvantových bitů, z dnešního pohledu to byla předminulá generace (nejnovější generace, představená letos v lednu, má 2000 kvantových bitů). A i když nefungoval perfektně, skutečně dělal věci, které by kvantový počítač dělat měl. Když jsem to tehdy viděl, říkal jsem si: To je opravdový začátek nové technologie. Zkusme zjistit, jaké fascinující výpočty by se daly dělat nejen s tímto počítačem, ale také s generacemi, které budou následovat.

V čem ta odlišnost spočívá?

Zachází s výpočty a algoritmy jinak než klasické počítače. Jak jeho schopnosti dokážete aplikovat na určitý problém, je na vás. D-Wave už dospěl do bodu, kdy si musíte uvědomovat, že programujete kvantový počítač, nemůžete přemýšlet jako klasický programátor. Zároveň již tento stroj ve výpočtech, pro které byl navržen, poráží klasické počítače. Nebo do této fáze přinejmenším směřuje.

A k čemu ho tedy používáte?

Pracuji s nyní počítačem, který má 1000 kvantových bitů. Zkoumáme pomocí něj internetovou bezpečnost. Zaznamenáváme signály přicházející do počítačových systémů a hledáme charakteristické znaky hackerského útoku. Používáme zároveň i neuronovou síť, software, který se dokáže učit podle svých minulých zkušeností. Neuronová síť běží na klasickém počítači, ale roli orákula hraje právě D-Wave. Řeší složité problémy, na které klasický počítač nestačí.

https://www.youtube.com/watch?v=-LhPE6FpJYk

Jak vůbec vzniká kvantový bit uvnitř D-Wave?

Každý kvantový bit se skládá z řady drobných kovových smyček zvaných squidy a z elektroniky, která jim umožňuje pracovat. Squid není nic než prstenec supravodivého kovu, v němž teče elektrický proud. Za normálních okolností by tekl buď jedním směrem, dejme tomu po směru hodinových ručiček, nebo směrem opačným. Protože však jde o kvantové zařízení, teče oběma směry současně, a vytváří tak superpozici obou těchto stavů. Zároveň generuje magnetické pole, které prochází dalšími kvantovými bity. Tak dochází k jejich vzájemnému propojení. Vzájemně provázané kvantové bity jsou v superpozici všech možných stavů.

Kdo si už D-Wave pořídil?

Kromě NASA také třeba Jihokalifornská univerzita, Národní laboratoř Los Alamos a další instituce. O kvantové počítače se velmi zajímá také třeba Google. Jednak staví svůj vlastní, jednak je studuje po teoretické stránce. Chce dosáhnout takzvané kvantové nadřazenosti, tedy mít kvantový počítač, který by překonal jakýkoliv počítač klasický. Zatím do tohoto bodu nedospěli a není tam ještě ani D-Wave. Ale blížíme se.

D-Wave je nicméně velmi specializovaný stroj, který v podstatě umí řešit pouze jeden typ úloh. Některé jiné kvantové počítače by měly zvládnout podstatně širší spektrum problémů. Co už univerzálnější zařízení dovedou?

Jsou pořád v dětských letech, ale zlepšují se. Mají už třeba pět kvantových bitů, nejpokročilejší dokonce snad až dvacet kvantových bitů. Pět kvantových bytů odpovídá chytrému telefonu, dvacet mému stolnímu počítači. Až budou mít asi tak dvojnásobek, 40 až 45 kvantových bitů, vyrovnají se nejlepším současným superpočítačům. A jakmile se dostanou nad 50, žádný klasický počítač už s nimi nebude moci soupeřit.

O jak vzdálené době mluvíme? Jaký dopad budou mít výkonné kvantové počítače na bezpečnost internetu? A k čemu všemu půjdou využít? Čtěte rubriku Civilizace v novém Respektu 11/2017: Věštba z mikrosvěta.