Sciencemag.cz
Doporučujeme
Úlohy, které v sobě fundamentálně mají kvantovou mechaniku, jsou pro kvantové počítače velmi vhodné. Jde typicky o úlohy z fyziky nebo chemie.
Odpovídá Jakub Krchák (absolvent Computer Science na MFF UK, manager v IBM Prague R&D Lab).
Co je to qubit?
Qubit je informační jednotkou v kvantových počítačích, která je založenána kvantové mechanice. Qubit popisuje superpozice částic, jejich mnoha stavů, kterých částice může zrovna nazývat. Jde o pravděpodobnostní záležitost, která znamená fundamentálně víc, než klasická 0 a 1 u standardních počítačů. Právě proto nám kvantové počítače umožňují dělat něco, co standardní počítače neumějí, protože na fyzikální bázi je v nich zakódováno větší množství informace.
Dalo by se to nazvat něčím jako paralelismem?
Ano.
Čím se liší algoritmy pro qubity od těch současných běžných, tj. von neumannovských? Daly by se kvantové počítače, jejichž qubity jsou ve více stavech najednou, volně přirovnat k již technologicky opuštěným analogovým?
Algoritmy pro kvantové počítače se snaží využít právě onoho fundamentu, které kódují zároveň větší množství informace, takže umožňují zvládnout a vyhodnotit exponenciálně narůstající množství stavů oproti standardnímu počítači. Často algoritmy, které na von neumannovských počítačích vedou k exponenciálnímu nárůstu doby výpočtu, jsme na kvantových počítačích schopni zvládnout v pouze polynomicky rostoucím čase, protože ono exponenciální množství stavů je zvládnuto vlastností qubitů pokrývat superpozice jednotlivých stavů částic.
Jistý příměr s analogovými počítači existuje, avšak analogový počítač je schopen měřit pouze jednu hodnotu, zatímco qubit je schopen jich držet exponenciálně více, v uvozovkách nekonečně mnoho.
Jak se informace dostává do qubitu a jak se z něj dostává?
Odpověď na tuto otázku vede k elektronické, fyzikální podstatě kvantového počítače, jak jsou qubity reprezentovány. Kvantový počítač IBM dnes využívá supravodivosti a základem je, jestli je qubit v supravodivém stavu, nebo ne, zda v něm teče nebo neteče elektrický proud. Informace se do počítače dostane tak, že pustíme elektrický proud do toho, co reprezentuje qubit. Když tam bude supravodivost, bude tam 1, když nikoliv, bude tam 0. Není těžké informaci do kvantového počítače zapsat, ale udržet ji a přečíst, a také aby nebyla ovlivněna náhodností dané principem kvantové mechaniky, kvantovým šumem. U kvantové mechaniky je obtížné vyrovnat se s chybami a náhodnými kvantovými jevy. Přečtení informace zase znamená přečíst, zda je v qubitu proud či ne, v uvozovkách.
Dá se tedy volně říci, že qubit je jakýmsi svazkem drátů, do kterého se v supravodivém stavu pustí či nepustí proud, a pak se měří, zda tam je, nebo není?
Je to tak, ale obtížné je zajistit, aby nám nic neovlivňovalo z vnějšího okolí daný stav. Proto také většina těch „drátů“, které tam jsou, slouží k tomu, abychom se poprali s kvantovou neurčitostí, dokázali udržet informaci a byli schopni zjistit superpozice dvou vztahů, které jsou kvantově provázány. Proto tam jsou další „dráty“, které umožňují, aby dva qubity byly v superpozici.
Které úlohy lze s kvantovými počítači efektivně řešit, které ne?
Některé úlohy, jako například faktorizace, tj. rozklad velkého čísla na součin prvočísel, řazení seznamů, žíhání a zjišťování maxima a minima, jsou na kvantových počítačích lépe řešitelné než na klasických. Obecně se také uvádí, že úlohy, které v sobě fundamentálně mají kvantovou mechaniku, jsou pro kvantové počítače velmi vhodné už svojí podstatou. Jde typicky o úlohy z fyziky nebo chemie.
Dá se kvantový počítač simulovat na běžném počítači?
Určitě. IBM nabízí, aby si uživatel napsal svůj kvantový algoritmus v prostředí IBM Cloud (viz i Sciencemag.cz), kde si jej nechá proběhnout a ověřit normálním počítačem. Současné kvantové počítače jsou malé, a tudíž je možno výpočet emulovat na standardním počítači. Když je uživatel spokojený, jak výpočet algoritmu proběhl, může si jej pak skutečně pustit na kvantovém hardwaru, což je součástí naší nabídky IBM Quantum Experience.
Znamená to, že na klasickém výpočetním prostředí v cloudu si uživatel nasimuluje nějakou úlohu s menším počtem proměnných, aby byla zvládnutelná, a pak spustí její výpočet na kvantovém počítači s plným počtem proměnných?
Ano, v podstatě ale dnes s plným počtem proměnných, protože současný kvantový počítač, který IBM dává k dispozici, jich dovoluje pět, protože má pouze 5 qubitů, tj. pět proměnných. Stále jde o „maličkou“ věc. Jeden qubit však reprezentuje velké množství superpozic, takže i tak jde o docela mocný nástroj.
Zatím ještě nelze očekávat, že by kvantový počítač zvládl spočítat něco, co by klasické počítače nedokázaly, pět qubitů je stále ještě příliš málo. Přesto však jde o obrovský pokrok. Jsme už totiž schopni postavit univerzální kvantový počítač, který může i na oněch pěti qubitech počítat jakýkoliv algoritmus.
Budou moci kvantové a současné klasické počítače sdílet informace? Jak si budou informace předávat?
Ono se to předávání informací mezi kvantovými a klasickými počítači už děje. Kvantový počítač IBM je totiž připojený do cloudu, takže výsledky jeho počítání jsou odečítány standardními počítači, a následně jsou dávány v internetu k dispozici dalším klasickým počítačům. Otázka by však asi měla znít na rozdělení úloh mezi tyto dva typy výpočetních prostředí. Kvantové počítače jsou drahé, speciální, a pravděpodobně to tak ještě zůstane kvůli jejich fyzikálním principům – zejména kvůli nutnosti dosažení supravodivosti a velmi nízkých teplot. Až budeme mít dostatečně mocné kvantové počítače, bude stát za to na nich určité úlohy spustit celé samostatně.
Budou kvantové počítače vždy spíše otázkou pro specializovaná datacentra se speciálním prostředím, kde budou moci zajistit nízké teploty blízké supravodivosti? Nebo je bude možno v budoucnu nasazovat i ve větších organizacích?
Vývoj jde velmi rychle kupředu, takže je velmi těžké dát nějakou přesnější odpověď. Se současnou úrovní znalostí a osvojení technologií si dnes lze představit skutečně spíše specializovaná datacentra, protože teploty, které jsou potřebné k dosažení supravodivosti, jsou velmi blízko absolutní nule.
Kdy lze očekávat nástup komerčního nasazení kvantových počítačů? Existují zprávy, že například Google nebo Lockheed Martin je už nějak také používají.
Lze říci, že komerční nasazení kvantových počítačů v jistém slova smyslu existuje už dnes, na zmíněném od IBM. Už dnes na něm probíhá výzkum, který nás posouvá dopředu. Říká se, že 100qubitový kvantový počítač bude schopen zvládnout úlohy, jichž standardní von neumannovské počítače už nebudou schopny. Je otázkou, kdy se ze současných 5 qubitů dostaneme na 100 qubitů. Někdo optimisticky říká pět let, někdo deset let. Řekněme, že v nějakém takovém horizontu bychom mohli mít kvantový počítač, jaký bude schopen dělat něco, co ty standardní nedokážou, respektive by jim to trvalo velmi dlouho.
Co se týče využívání kvantových počítačů Googlem, jsem přesvědčen, že si koupili pro zajímavost stroje od firmy D-Wave, která však nedělá univerzální kvantové počítače, nýbrž speciální stroje, které jsou užitečné jen pro určité typy úloh; vědecká komunita se domnívá, že nejsou schopny udělat nic, co by nebyly schopné udělat ty von neumannovské. Dělají to jinak, je to zajímavé, firmy typu Google o to mají zájem, avšak také se zároveň „jen“ dívají na „state of the art“, co to prostě umí. Lockheed Martin je také zákazníkem D-Wave.
Bude jejich nasazení něčím výlučné z hlediska nedostatečné počáteční kapacity dodávek jako tomu bylo v případě prvních S/360, případně ohledně nějakého embarga? Oslovil už někdo IBM s poptávkou?
Na tuto otázku je těžké dnes odpovědět, pohybujeme se v rovině, že se snažíme využívat kvantový počítač pro vědeckou komunitu a optimalizovat jej tak, aby jeho vývoj šel kupředu co nejrychleji. Odpovědí na tuto otázku bychom příliš předbíhali.
Slibuje si IBM od uvedení kvantového počítače obdobný průlom ve výpočetní technice a dosažení obrovského náskoku před ostatními, jako od sálového počítače IBM S/360, který v podstatě velmi dobře žije už téměř 50 let, nebo i zavedení standardu IBM/PC?
IBM určitě věří tomu, že kvantové počítače budou schopny provádět výpočty jinak nerealizovatelné. V současné době však na této problematice skutečně pracujeme na bázi základního výzkumu a zatím nejsme ve stavu plné komercionalizace.
IBM proto dala k dispozici svůj kvantový počítač na cloud. Existuje webové rozhraní (https://quantumexperience.ng.bluemix.net), kam může kdokoliv přijít a napsat si pro kvantový počítač svůj algoritmus. Na webu je velké množství manuálů, s jejichž pomocí se lze postupně s kvantovým počítačem seznámit.
Je kvantový počítač IBM k dispozici za poplatek, nebo zdarma?
Několik prvních spuštění kvantového počítače IBM je zdarma, další jsou zpoplatněny několika centy za každé spuštění. Jak už jsem zmínil, existuje možnost spustit si úlohu jen simulovaně, a ta je vždy zdarma.
Takže kvantový počítač IBM je přístupný i vědcům z České republiky?
Ano, vědecké komunitě, studentům, a to nejen vysokoškolským, ale i středních škol.
autor: Richard Jan Voigts
