Google: Dosáhli jsme „kvantové nadvlády“

Kvantové počítače prolomily další bariéru. Ten, jehož vznik nyní oznámila firma Google, prý dokáže vyřešit určitý matematický úkol za 200 vteřin, zatímco klasickým počítačům by stejný výpočet trval 10 tisíc let. Pokud je to pravda, pak Google jako první v historii dosáhl takzvané kvantové nadvlády: stavu, kdy si počítač založený na jevech fyziky mikrosvěta dokáže poradit s úlohou, jejíž řešení je klasickým počítačům v praxi nedostupné. Nejnovější stroj od Google není ovšem univerzální, stejně jako předchozí kvantové počítače umí řešit pouze jeden typ úlohy: v tomto případě ověřit, jestli funguje správně generátor náhodných čísel.

O tom, zda skutečně došlo k prolomení „kvantové nadvlády“, navíc rivalové pochybují - konkurenční tým IBM tvrdí, že jím navržený klasický algoritmus by stejnou úlohu vyřešil za dva a půl dne, nikoliv za 10 tisíc let. Pak Google překonal „jen“ méně významnou, přesto důležitou metu: dosažení tzv. kvantové výhody - tedy stavu, kdy úlohu lze řešit i pomocí klasické výpočetní techniky, ale kvantový počítač je v tom ale výrazně rychlejší. Vědecký článek o novém počítači Google zveřejnil prestižní časopis Nature, což znamená, že text prošel přísným peer-review. V každém případě jde tedy o výrazný průlom. „Google nám zřejmě předložil první experimentální důkaz, že kvantové urychlení výpočtů lze dosáhnout v systémech reálného světa,“ řekla Nature kvantová fyzička Michelle Simmons z University of New South Wales v Sydney. Při této příležitosti odemykáme následující text o kvantových počítačích z rubriky Civilizace. Pokud podobné články oceňujete a chcete je číst pravidelně, staňte se naším předplatitelem.

Fyzik Mark Novotny se odvrací od pokreslené tabule k oknu vedoucímu z pracovny na pražský Karlov, kde se v zahradách probouzí jaro. Chvíli hledá metaforu, jež by jeho výklad doprovodila: „Hradby, které chránily Prahu, byly před pěti sty lety nesmírně užitečné. Dnes jsou z hlediska obrany k ničemu. Stejně tak zastarají současné metody zabezpečení internetu,“ varuje vědec a vrací se ke složitým náčrtům, aby ukázal, v čem se nebezpečí skrývá.

Američan, jehož český pradědeček se vydal přes oceán v šedesátých letech 19. století, pracuje s prvním skutečným kvantovým počítačem na světě – tedy prvním, který opustil laboratoře a ocitl se na trhu jako komerčně dostupné zařízení. Tajemný stroj jménem D-Wave zatím šifry střežící bezpečnost internetové komunikace prolomit neumí, ostatně nebyl k tomu navržen. Budoucí kvantové počítače by to však dokázat mohly – a není to jediná oblast, kterou slibují proměnit.

Tyto složité stroje mohou díky zákonům kvantové fyziky zkoumat možná řešení zadané úlohy nikoli jedno po druhém, ale současně. Pracují proto mnohem rychleji. Zatím jsou většinou v embryonálním stadiu, přesto se o ně zajímají firmy jako Google, IBM či Amazon; víceméně každý, kdo pracuje s velkými objemy dat nebo řeší složité úlohy, na které současná výpočetní technika nestačí. Uplatnily by se třeba ve vývoji elektroniky, aut či nových léků – mohly by rychle prohledávat obrovské databáze, zkoumat chování supravodivých materiálů, zjišťovat, co se stane, když se určitý protein v lidském těle setká s molekulou léčiva. Zároveň ale představují hrozbu, která zneklidňuje tajné služby i firmy, jež budují na internetu „hradby“ proti hackerům.

Kočky na kvantovém čipu

Jako první přišel s vizí kvantového počítače v polovině osmdesátých let 20. století britský fyzik David Deutsch. Nikdo však tehdy nevěděl, jak takový stroj postavit a jak jej programovat. Nebylo například jasné, zda vůbec lze systém dokonale izolovat od vnějšího světa, což je nutná podmínka. Jeden z důkazů, že to jde, dnes představuje právě D-Wave. „Není pochyb, že je to nejpokročilejší kvantový počítač na světě,“ říká Mark Novotny, který letos přednáší na Matematicko-fyzikální fakultě UK, ale jinak působí na Univerzitě v Mississippi. Stroj, o němž mluví, je jediný takový systém, na němž si lze zamluvit čas a připojit se k němu na dálku, nebo si jej dokonce koupit pro vlastní potřeby.

Počítač kanadské firmy D-Wave Systems – vyvinutý za přispění investorů, mezi nimiž nechybí například CIA nebo miliardář Jeff Bezos – budí rozruch od roku 2011, kdy vznikla jeho první generace. Rozhodně ničím nepřipomíná klasické PC či laptop, vypadá spíše jako černý monolit z Vesmírné odysey Arthura Clarka. Vlastně to vůbec není počítač, ale spíše simulátor, zařízení vhodné k řešení jen určité skupiny matematických problémů. V úlohách, pro které byl navržen, už nyní ale poráží klasické počítače.

Pozoruhodné přitom je, že ani jeho tvůrci nevědí, co přesně se v něm děje. Je vysoký zhruba tři metry a uvnitř zdánlivě nic moc není – od stropu visí do prázdného prostoru složitá zužující se konstrukce zlatavé barvy. Na jejím hrotu se nachází kvantový čip o rozměrech několika čtverečních centimetrů, za vysokého svistu cirkulujícího helia chlazený tak, že představuje jedno z nejstudenějších míst v celém známém vesmíru.

Díky nízké teplotě a izolaci od vnějšího prostředí dochází na čipu k jevu, který pomocí známého příměru s kočkou zavřenou v krabici ilustroval v polovině třicátých let 20. století rakouský fyzik Erwin Schrödinger: za jistých podmínek může být pro vnějšího pozorovatele kočka současně živá i mrtvá, v takzvané superpozici dvou stavů. Teprve v okamžiku, kdy krabici otevřeme a na kočku se podíváme, tedy provedeme „měření“, superpozice zkolabuje do jednoho konkrétního stavu; zvíře je buď naživu, nebo není.

V běžném makroskopickém světě je to pouhá metafora, ale D-Wave takto funguje. Jako by na čipu tisíce miniaturních koček pronásledovaly svůj vlastní ocas – a jakkoli se to zdá nemožné, točily se za ním současně po směru hodinových ručiček i proti němu (více v rámečku). Kočky, ve skutečnosti supravodivé proudy, tak vytvářejí superpozici stavů, pomocí níž lze kódovat informace a ukládat je do takzvaných kvantových bitů.

Metoda pokus-omyl

Schopnosti „černého monolitu“ využila už americká bezpečnostní agentura NSA nebo zbrojařské konsorcium Lockheed Martin, které s jeho pomocí testovalo software stíhačky F-35. Stroj v ceně řádově deseti milionů dolarů zakoupila také Jihokalifornská univerzita či laboratoře v Los Alamos zabývající se vojenským výzkumem. Někteří akademici přesto zůstávají opatrní. Konstruktéři totiž stavějí různé generace počítače (nejnovější představili začátkem roku) tak trochu metodou pokus-omyl: rozvíjejí to, co funguje, aniž ukazují, v jaké míře se na výpočtech skutečně podílejí kvantové jevy. Někteří kritici proto upozorňují, že D-Wave může být jen velmi neobvyklý klasický počítač.

Mark Novotny k nim nepatří. „D-Wave zachází s algoritmy jinak než běžné počítače. Jak jeho schopnosti dokážete aplikovat na konkrétní problém, záleží na vás,“ vysvětluje vědec, jenž přes internet komunikuje s „černým monolitem“ umístěným ve výzkumném středisku NASA v Kalifornii a zkoumá pomocí něj internetovou bezpečnost. „Zaznamenáváme signály, které přicházejí do počítačových systémů, a hledáme charakteristické znaky hackerského útoku,“ říká. Novotného tým se k odhalování kyberútočníků snaží zároveň využít neuronové sítě – software, který se dokáže učit a zdokonalovat podle minulých zkušeností.

„Neuronová síť běží na klasickém počítači, roli orákula ale hraje právě D-Wave. Řeší složité problémy, na které klasický počítač nestačí,“ vysvětluje fyzik, jehož výklad plný výrazů jako „hamiltonián“, „problém frustrace“ nebo „kvantové tunelování“ zní laikovi rovněž tak trochu jako nesrozumitelná věštba vonnými bylinami omámené Pýthie.

Přes tuto záhadnou mluvu je však představa, že fyzici své vědě rozumějí i z filozofického hlediska, jinak než pomocí abstraktního jazyka matematiky, iluzí. „Zákony kvantové fyziky jsou opravdu na první pohled nepochopitelné, neintuitivní, příčící se naší každodenní zkušenosti,“ uznává fyzik Jaromír Fiurášek z Univerzity Palackého v Olomouci. V osmdesátých a devadesátých letech 20. století proto vědci tak trochu rezignovali na snahu porozumět tomu, co jim kvantová věda říká o povaze světa, a zaměřili se na to, jak ji prakticky využít. Jedním z výsledků této změny je právě D-Wave.

Je to ovšem stroj, který pro jeho úzké zaměření - řeší jen učité typy takzvaných optimalizačních úloh - přirovnávávají k soustruhu vyrábějícími stále dokola tutéž součástku. Žádný kvantový počítač zřejmě nikdy nenahradí náš laptop či mobil, přesto pravděpodobně existuje způsob, jak postavit univerzálnější zařízení. Hledá jej řada pracovišť včetně českých.

Atomová past

„Erwin Schrödinger kdysi řekl, že tohle nikdy nebude možné.“ Mladý fyzik Lukáš Slodička hledí na aparaturu poněkud verneovského střihu: na pracovních stolech ve sklepní laboratoři se proplétají modré paprsky laserů a v centru všeho je vakuová komora s částečně prosklenými stěnami. V jejím nitru mohou vědci doslova zastavit pohyb na té nejhlubší úrovni: jednotlivé atomy, ionty vápníku, tu spoutají elektrickým polem a pak uzamknou pomocí laserů tak, že je v podstatě znehybní.

„Můžeme atom držet v této pasti klidně třeba týden,“ dodává Ondřej Číp z brněnského Ústavu přístrojové techniky AV ČR, kde aparaturu postavili společně s kolegy ze zmíněné olomoucké univerzity. Roli „kvantových koček“ tu zastávají znehybněné atomy, ionty, které mohou být rovněž v superpozici stavů – stejně jako supravodivé proudové smyčky v D-Wave nebo hypotetické kočky v krabicích.

I atomová past může být užitečná pro různé simulace. Například v zemském ovzduší se střetávají atomy různých plynů a pomocí uvězněných iontů lze jejich chování napodobit: nechat kvantový systém, aby se vyvíjel podle zadaných pravidel, a ve vhodném okamžiku pomocí laserů odečíst výsledek. „Dalo by se tak zkoumat třeba globální oteplování, chování front nebo mořských proudů,“ říká Číp.

Zároveň je atomová past zřejmě nejslibnější cestou k vytvoření stroje, který by si označení „univerzální počítač“ v mnohém zasloužil. Znehybnělé ionty jsou v pasti mnohem lépe izolovány od vnějšího prostředí než v D-Wave. Mohly by také řešit širší spektrum zadání včetně takzvané faktorizace, rozkladu na prvočísla. Zdánlivě bezvýznamné úlohy, která má ovšem velký praktický dopad.

Hackni teď, rozlušti později

Zřejmě nejdokonalejší zařízení, které na titul univerzálního kvantového počítače aspiruje, ve faktorizaci zatím nevyniká. Postavili jej po 30 letech vývoje na univerzitě v Innsbrucku a dovede spočítat, že 21 je součinem prvočísel tři a sedm. U větších čísel zatím selhává. Přesto i skromný úspěch skrývá nebezpečí ohromujícího rozsahu.

Ještě začátkem devadesátých let nebylo jasné, k čemu vůbec kvantový počítač použít, pokud by vznikl. V roce 1994 však americký matematik Peter Shor navrhl algoritmus, který by kvantovému počítači umožnil rozložit na součin prvočísel nejen 21, ale i třeba astronomicky velké číslo o 135 číslicích. Zatímco tehdejším počítačům by úloha trvala měsíce či roky, kvantový by ji zvládl za zlomek této doby.

Právě v tom je problém. Kdykoli si vyměňujeme přes síť například údaje se svojí bankou, zadáváme heslo k ovládání účtu a podobně, je komunikace šifrována pomocí takzvaného protokolu RSA, který je založen na rozkladu na prvočísla. Přesněji na tom, že tuto úlohu nedokážou současné počítače pro dostatečně velká čísla vyřešit; k tomu, aby zjistily, součinem jakých prvočísel dané číslo vzniklo, by potřebovaly miliony i miliardy let.

Stroj využívající zákony mikrosvěta by to dokázal za pouhé hodiny či dny. „Jakmile se ke světové síti připojí první skutečně výkonný kvantový počítač, stanou se mnohé dnes široce využívané šifrovací protokoly beznadějně zastaralými,“ napsal již předloni časopis Nature. Podle Marka Novotného může tento okamžik nastat už třeba za pět let. „Rychlému pokroku nebrání žádné fyzikální zákony,“ varuje americký vědec. Nejde jen o bankovní operace, pomocí RSA se šifruje naprostá většina komunikace na internetu.

Tajné služby a další instituce proto ve spěchu vyvíjejí kryptografické metody, které by RSA nahradily. Je tu ale problém označovaný jako „hackni teď, rozlušti později“. Řada lidí si svá hesla a jiné bezpečnostní kódy nemění: a pokud si dnes někdo současnou komunikaci na internetu tajně nahrává, dostane se k těmto údajům hned, jakmile bude mít kvantový počítač k dispozici. „Americká tajná služba NSA to dělá určitě. Největší paranoici dokonce tvrdí, že NSA už výkonný kvantový počítač má,“ říká Fiurášek. Sám si však myslí, že tajné služby se snaží k dešifrování internetové komunikace využívat spíš klasické superpočítače.

Pravdu se možná časem dozvíme. Pokud kvantový počítač skutečně dokáže vyřešit Shorův algoritmus pro velká čísla, bude to otřes, který dalece přesáhne sféru působení tajných služeb.

Uvnitř D-Wave

Čip kvantového počítače D-Wave je chlazen na teplotu pouhých 15 tisícin stupně nad absolutní nulou, tedy na méně než minus 273 ˚C. Elektrický proud v něm cirkuluje v mikroskopických supravodivých smyčkách dvěma směry současně a vytváří tak superpozici stavů – kvantový bit.  Nejnovější generace stroje obsahuje dva tisíce kvantových bitů. Magnetická pole generovaná supravodivými proudy pak jednotlivé smyčky propojí a způsobí, že celý čip, nebo přinejmenším některé jeho části fungují jako jeden sehraný orchestr – jde o takzvané kvantové provázání, které umožňuje provádět výpočty. Většina vědců má již dnes za prokázané, že D-Wave skutečně využívá oba klíčové jevy – superpozici i kvantové provázání, spor se však vede o to, jak velké oblasti čipu kvantové provázání zasahuje.

Počítat může i světlo

Kvantová zařízení, která využívají světlo, vyvíjejí na katedře optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého. Stavějí tu analogie logických bran, tranzistorů, pamětí a dalších součástek klasických počítačů, v nichž však proudí fotony a které využívají zákony kvantové fyziky. Nabízí se přitom analogie s vývojem elektroniky: V šedesátých letech 20. století inženýři vytvářeli první integrované obvody a snažili se je minimalizovat. Nikdo si ale tehdy neuměl představit internet nebo chytrý telefon. Je tak možné, že vývoj i tentokrát dospěje k něčemu neočekávanému, co bychom nyní kvantovým počítačem nenazvali – a o čem zatím nemáme ani tušení.

Kvantová zařízení také mohou pomoci objevit nové zákony mikrosvěta. „Nevíme, jestli je kvantová fyzika skutečně ta fundamentální, nejzásadnější teorie, nebo zda existuje ještě něco hlubšího. Třeba budeme pozorovat novou fyziku, nové jevy – podobně jako když lidé před sto lety začali zkoumat strukturu atomu,“ věří fyzik ze zmíněné katedry Jaromír Fiurášek.