Kvantové počítače sľubujú skutočnú revolúciu nielen vo výpočtovej technike, ale aj v reálnom živote. Médiá sú plné titulkov o tom, ako kvantové počítače zničia modernú kryptografiu a sila umelej inteligencie vďaka nim vzrastie rádovo.
Za posledných 10 rokov prešli kvantové počítače od čistej teórie k prvým funkčným príkladom. Pravda, do sľubovanej revolúcie je ešte dlhá cesta a jej vplyv v konečnom dôsledku nemusí byť taký komplexný, ako sa teraz zdá.
Kvantový počítač je zariadenie, ktoré využíva javy kvantovej superpozície a kvantového zapletenia. Hlavným prvkom takýchto výpočtov je qubit alebo kvantový bit. Za všetkými týmito slovami sa skrýva pomerne zložitá matematika a fyzika, no ak ich čo najviac zjednodušíte, dostanete niečo takéto.
V bežných počítačoch sa zaoberáme bitmi. Bit je jednotka merania informácie v dvojkovej sústave. Môže mať hodnotu 0 a 1, čo je veľmi výhodné nielen pre matematické operácie, ale aj pre logické operácie, pretože nula môže byť spojená s hodnotou „false“ a jedna s hodnotou „true“.
Moderné procesory sú postavené na báze tranzistorov, polovodičových prvkov, ktoré môžu prechádzať alebo neprechádzať elektrickým prúdom. Inými slovami, vytvára dve hodnoty, 0 a 1. Podobne vo flash pamäti môže tranzistor s plávajúcou bránou uchovávať náboj. Ak je prítomný, dostaneme jednotku, ak tam nie je, dostaneme nulu. Magnetický digitálny záznam funguje podobne, len nosičom informácie je tam magnetická častica, či už s nábojom alebo bez neho.
Pri výpočtoch načítame z pamäte hodnotu bitu (0 alebo 1) a potom prepustíme prúd cez tranzistor a podľa toho, či ho prejde alebo nie, dostaneme na výstupe nový bit, prípadne s inou hodnotou.
Čo sú qubity pre kvantové počítače? V kvantovom počítači je hlavným prvkom qubit – kvantový bit. Na rozdiel od bežného bitu je v stave kvantovej superpozície, to znamená, že má hodnotu 0 aj 1 a kedykoľvek ich ľubovoľnú kombináciu. Ak je v systéme niekoľko qubitov, potom zmena jedného znamená aj zmenu všetkých ostatných qubitov.
To vám umožní súčasne vypočítať všetky možné možnosti. Bežný procesor so svojimi binárnymi výpočtami v skutočnosti počíta možnosti postupne. Najprv jeden scenár, potom ďalší, potom tretí atď. Aby to urýchlili, začali používať multithreading, paralelné spúšťanie výpočtov, predbežné načítanie, aby predpovedali možné možnosti vetvenia a vopred ich vypočítali. V kvantovom počítači sa to všetko robí paralelne.
Princíp výpočtu je tiež odlišný. V istom zmysle kvantový počítač už obsahuje všetky možné možnosti riešenia problému, našou úlohou je iba prečítať stav qubitov a... vybrať z nich správnu možnosť. A tu začínajú ťažkosti. Toto je princíp fungovania kvantového počítača.
Aká bude fyzikálna podstata kvantového počítača? Kvantový stav možno dosiahnuť iba v časticiach. Qubit nemožno postaviť z niekoľkých atómov, ako napríklad tranzistor. Doteraz tento problém nebol úplne vyriešený. Možností je viacero. Využívajú sa stavy náboja atómov, napríklad prítomnosť alebo neprítomnosť elektrónu v obyčajnom bode, supravodivé prvky, fotóny atď.
Takéto „jemné záležitosti“ ukladajú obmedzenia na meranie stavu qubitov. Energie sú extrémne nízke, na čítanie údajov sú potrebné zosilňovače. Zosilňovače však môžu kvantový systém ovplyvniť a zmeniť jeho stavy, avšak nielen ony, ale aj samotná skutočnosť pozorovania môže mať význam.
Kvantové výpočty zahŕňajú postupnosť operácií, ktoré sa vykonávajú na jednom alebo viacerých qubitoch. Tie následne vedú k zmenám v celom systéme. Úlohou je vybrať z jeho stavov ten správny, ktorý dáva výsledok výpočtov. V tomto prípade môže existovať ľubovoľný počet stavov, ktoré sú k tomu čo najbližšie. Presnosť takýchto výpočtov sa teda bude takmer vždy líšiť od jednoty.
Plnohodnotný kvantový počítač teda vyžaduje značné pokroky vo fyzike. Okrem toho sa programovanie pre kvantový počítač bude líšiť od toho, čo existuje teraz. Napokon, kvantové počítače nebudú schopné riešiť problémy, ktoré sa nedajú vyriešiť konvenčnými, ale môžu urýchliť riešenia tých, ktoré zvládnu. Pravda, opäť nie všetky.
Postupne sa odstraňujú problémy na ceste ku kvantovému počítaču. Prvé qubity boli postavené na začiatku storočia. Proces sa zrýchlil začiatkom desaťročia. Dnes už vývojári dokážu vyrobiť procesory s desiatkami qubitov.
Posledným prelomom bolo vytvorenie procesora Bristlecone v útrobách Google. V marci 2018 spoločnosť oznámila, že je schopná postaviť 72-qubitový procesor. Google neuvádza, na akých fyzikálnych princípoch je Bristlecone postavený. Verí sa však, že 49 qubitov stačí na dosiahnutie „kvantovej nadvlády“, keď kvantový počítač začne prekonávať konvenčný počítač. Túto podmienku sa Googlu podarilo splniť, no chybovosť 0,6 % je stále vyššia ako požadovaných 0,5 %.
Na jeseň 2017 IBM oznámilo vytvorenie prototypu 50-qubitového kvantového procesora. Je testovaný. V roku 2017 však IBM sprístupnila svoj 20-qubitový procesor cloud computingu. V marci 2018 bola uvedená na trh menšia verzia IBM Q, ktokoľvek môže spustiť experimenty na takomto počítači. Na základe ich výsledkov bolo publikovaných už 35 vedeckých prác.
Začiatkom 10. výročia sa na trhu objavila švédska spoločnosť D-Wave, ktorá svoje počítače umiestnila ako kvantá. Vyvolalo to veľa kontroverzií, pretože oznámilo vytvorenie 1000-qubitových strojov, zatiaľ čo uznávaní lídri sa „pohrali“ len s niekoľkými qubitmi. Počítače od švédskych vývojárov sa predávali za 10-15 miliónov dolárov, takže ich testovanie nebolo také jednoduché.
Počítače D-Wave nie sú kvantové v pravom slova zmysle, ale využívajú niektoré kvantové efekty, ktoré možno použiť na riešenie niektorých optimalizačných problémov. Inými slovami, nie všetky algoritmy, ktoré možno vykonať na kvantovom počítači, dostávajú kvantové zrýchlenie na D-Wave. Google získal jeden zo systémov Švédov. Výsledkom bolo, že jeho výskumníci uznali počítače ako „obmedzene kvantové“. Ukázalo sa, že qubity sú zoskupené do zhlukov po ôsmich, to znamená, že ich skutočný počet je výrazne menší ako deklarovaný.
Tradične silná škola fyziky umožňuje výrazne prispieť k riešeniu fyzikálnych problémov na vytvorenie kvantového počítača. V januári 2018 Rusi vytvorili zosilňovač signálu pre kvantový počítač. Vzhľadom na to, že samotný zosilňovač je schopný svojou činnosťou ovplyvňovať stav qubitov, úroveň hluku, ktorý vytvára, by sa mala len málo líšiť od „vákua“. To sa podarilo ruským vedcom z laboratória „Supervodivých metamateriálov“ NUST MISIS a dvoch ústavov Ruskej akadémie vied. Na vytvorenie zosilňovača boli použité supravodiče.
V Rusku bolo vytvorené aj kvantové centrum. Ide o mimovládnu výskumnú organizáciu zaoberajúcu sa výskumom v oblasti kvantovej fyziky. Tiež sa zaoberá problémom vytvárania qubitov. Za centrom sú podnikateľ Sergej Belousov a profesor Harvardskej univerzity Michail Lukin. Pod jeho vedením už na Harvarde vznikol 51-qubitový procesor, ktorý bol nejaký čas pred ohlásením Bristleconu najvýkonnejším kvantovým počítačovým zariadením na svete.
Vývoj kvantovej výpočtovej techniky sa stal súčasťou štátneho programu Digitálna ekonomika. V rokoch 2018-20 bude na práce v tejto oblasti pridelená štátna podpora. Akčný plán počíta s vytvorením kvantového simulátora s použitím ôsmich supravodivých qubitov. Potom sa rozhodne o otázke ďalšieho škálovania tejto technológie.
Okrem toho pred rokom 2020 Rusko plánuje otestovať ďalšiu kvantovú technológiu: budovanie qubitov na neutrálnych atómoch a nabitých iónoch v pasciach.
Jedným z cieľov programu je vytvoriť zariadenia pre kvantovú kryptografiu a kvantovú komunikáciu. Vzniknú distribučné centrá pre kvantové kľúče, ktoré ich budú distribuovať spotrebiteľom – bankám, dátovým centrám a priemyselným podnikom. Verí sa, že plnohodnotný kvantový počítač dokáže prelomiť akýkoľvek moderný šifrovací algoritmus v priebehu niekoľkých minút.
Takže kvantové počítače sú stále experimentálne. Je nepravdepodobné, že by sa plnohodnotný kvantový počítač schopný skutočne vysokého výpočtového výkonu objavil skôr ako v nasledujúcom desaťročí. Výroba qubitov a stavba stabilných systémov z nich má ešte ďaleko k dokonalosti.
Súdiac podľa skutočnosti, že na fyzickej úrovni majú kvantové počítače niekoľko riešení, ktoré sa líšia technológiou a pravdepodobne aj nákladmi, nebudú zjednotené ďalších 10 rokov. Proces štandardizácie môže trvať dlho.
Okrem toho je už teraz jasné, že kvantové počítače zostanú s najväčšou pravdepodobnosťou v nasledujúcom desaťročí „po kusoch“ a veľmi drahé zariadenia. Je nepravdepodobné, že skončia vo vrecku bežného používateľa, no ich výskyt na zozname superpočítačov môžete očakávať.
Je pravdepodobné, že kvantové počítače budú ponúkané v „cloudovom“ modeli, kde ich zdroje môžu využívať zainteresovaní výskumníci a organizácie.
Všetci ste zvyknutí na naše počítače: ráno čítame správy zo smartfónu, poobede pracujeme s notebookom a večer pozeráme filmy na tablete. Všetky tieto zariadenia majú jedno spoločné – kremíkový procesor pozostávajúci z miliárd tranzistorov. Princíp činnosti takýchto tranzistorov je pomerne jednoduchý - v závislosti od privádzaného napätia dostaneme na výstupe iné napätie, ktoré sa interpretuje buď ako logická 0 alebo logická 1. Aby bolo možné vykonávať operácie delenia, dochádza k miernemu posunu - ak by sme napríklad boli číslo 1101, tak po posunutí o 1 bit doľava to bude 01101 a ak ho teraz posunieme o 1 bit doprava, bude to 01110. A hlavný problém spočíva v skutočnosť, že pre rovnakú divíziu môže byť potrebných niekoľko desiatok takýchto operácií. Áno, vzhľadom na skutočnosť, že existujú miliardy tranzistorov, takáto operácia trvá nanosekundy, ale ak existuje veľa operácií, strácame čas týmito výpočtami.
Ako fungujú kvantové počítače
Kvantový počítač ponúka úplne iný spôsob výpočtov. Začnime s definíciou:
Kvantový počítač -výpočtové zariadenie, ktorý využíva javykvantová superpozíciaAkvantové zapleteniena prenos a spracovanie údajov.
Očividne sa to nestalo jasnejším. Kvantová superpozícia nám hovorí, že systém s určitým stupňom pravdepodobnosti existuje vo všetkých možných stavoch (súčet všetkých pravdepodobností sa samozrejme rovná 100 % alebo 1). Pozrime sa na to na príklade. Informácie v kvantových počítačoch sú uložené v qubitoch – kým bežné bity môžu mať stav 0 alebo 1, potom qubit môže mať stav 0, 1 a 0 a 1 súčasne. Preto, ak máme 3 qubity, napríklad 110, potom tento výraz v bitoch je ekvivalentný 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.
Čo nám to dáva? To je všetko! Napríklad máme 4-miestne digitálne heslo. Ako to hackne bežný procesor? Jednoduchým vyhľadávaním od 0000 do 9999. 9999 v dvojkovej sústave má tvar 10011100001111, to znamená, že na jeho zápis potrebujeme 14 bitov. Ak teda máme kvantové PC so 14 qubitmi, heslo už poznáme: veď jedným z možných stavov takéhoto systému je heslo! Výsledkom je, že všetky problémy, ktorých výpočet aj superpočítačom teraz trvá niekoľko dní, sa okamžite vyriešia pomocou kvantových systémov: potrebujete nájsť látku s určitými vlastnosťami? Žiadny problém, vytvorte systém s rovnakým počtom qubitov, ako sú vaše požiadavky na hmotu – a odpoveď už budete mať vo vrecku. Potrebujete vytvoriť AI (umelú inteligenciu? Jednoduchšie to už nemôže byť: kým bežný počítač vyskúša všetky kombinácie, kvantový počítač bude pracovať rýchlosťou blesku a vyberie tú najlepšiu odpoveď. 
Zdalo by sa, že všetko je skvelé, ale je tu jeden dôležitý problém - ako zistíme výsledok výpočtov? Pri bežnom PC je všetko jednoduché – môžeme si ho zobrať a prečítať priamym pripojením k procesoru: logická 0 a 1 sa tam určite interpretujú ako absencia a prítomnosť náboja. Ale to nebude fungovať s qubitmi - koniec koncov, v každom okamihu je v ľubovoľnom stave. A tu nám kvantové zapletenie prichádza na pomoc. Jeho podstata spočíva v tom, že môžete získať pár častíc, ktoré sú navzájom spojené (z vedeckého hľadiska - ak je napríklad spinová projekcia jednej zapletenej častice negatívna, druhá bude určite pozitívna). Ako to vyzerá na vašich prstoch? Povedzme, že máme dve krabice, z ktorých každá obsahuje kus papiera. Prenesieme krabice do ľubovoľnej vzdialenosti, jednu z nich otvoríme a vidíme, že papier v nej je vodorovne pruhovaný. To automaticky znamená, že druhý kus papiera bude mať zvislé pruhy. Problém je ale v tom, že akonáhle poznáme stav jedného kusu papiera (alebo častice), kvantový systém sa zrúti – neistota zmizne, qubity sa zmenia na obyčajné bity.
Výpočty na kvantových počítačoch sú preto v podstate jednorazové: vytvoríme systém, ktorý pozostáva zo zapletených častíc (vieme, kde sa nachádzajú ich ďalšie „polovice“). Vykonáme výpočty a potom „otvoríme škatuľku s kusom papiera“ - zistíme stav zapletených častíc, a teda stav častíc v kvantovom počítači, a teda výsledok výpočtov. Takže pre nové výpočty musíte znova vytvoriť qubity - jednoducho „zatvorenie krabice kusom papiera“ nebude fungovať - koniec koncov už vieme, čo je na papieri nakreslené.
Vynára sa otázka – keďže kvantový počítač dokáže okamžite uhádnuť akékoľvek heslá – ako chrániť informácie? Zmizne s príchodom takýchto zariadení súkromie? Samozrejme, že nie. Na pomoc prichádza takzvané kvantové šifrovanie: je založené na skutočnosti, že keď sa pokúsite „prečítať“ kvantový stav, dôjde k jeho zničeniu, čo znemožňuje akékoľvek hackovanie.
Domáci kvantový počítač
Posledná otázka – keďže kvantové počítače sú také skvelé, výkonné a nenapadnuteľné – prečo ich nepoužívame? Problém je triviálny – nemožnosť implementácie kvantového systému v bežných domácich podmienkach. Na to, aby qubit existoval v stave superpozície nekonečne dlho, sú potrebné mimoriadne špecifické podmienky: úplné vákuum (neprítomnosť iných častíc), teplota čo najbližšie k nule Kelvinov (pre supravodivosť) a úplná absencia elektromagnetického žiarenia (bez vplyvu na kvantový systém). Súhlasím, že je ťažké vytvoriť takéto podmienky doma, mierne povedané, ale najmenšia odchýlka povedie k tomu, že stav superpozície zmizne a výsledky výpočtu budú nesprávne. Druhým problémom je prinútiť qubity k vzájomnej interakcii – pri interakcii sa ich životnosť katastrofálne skracuje. Výsledkom je, že maximum pre tento deň sú kvantové počítače s niekoľkými desiatkami qubitov.
Existujú však kvantové počítače od D-Wave, ktoré majú 1000 qubitov, ale vo všeobecnosti to nie sú skutočné kvantové počítače, pretože nepoužívajú princípy kvantového previazania, takže nemôžu fungovať podľa klasických kvantových algoritmov: 
Napriek tomu sa takéto zariadenia ukazujú ako výrazne (tisíckrát) výkonnejšie ako bežné počítače, čo možno považovať za prelomové. Užívateľské zariadenia však tak skoro nenahradia - najskôr sa musíme buď naučiť vytvárať podmienky na prevádzku takýchto zariadení doma, alebo naopak „spustiť“ takéto zariadenia v podmienkach, ktoré poznáme. Kroky druhým smerom už boli podniknuté – v roku 2013 bol vytvorený prvý dvojqubitový kvantový počítač na prímesovom diamante, ktorý pracuje pri izbovej teplote. Bohužiaľ, toto je len prototyp a 2 qubity nestačia na výpočty. Čakanie na kvantové počítače je teda stále veľmi, veľmi dlhé.
Ľudstvo, podobne ako pred 60 rokmi, je opäť na prahu veľkého prelomu v oblasti výpočtovej techniky. Veľmi skoro budú dnešné počítacie stroje nahradené kvantovými počítačmi.
V roku 1965 Gordon Moore povedal, že za rok sa počet tranzistorov, ktoré sa zmestia na kremíkový mikročip, zdvojnásobí. Toto tempo pokroku sa v poslednom čase spomalilo a zdvojnásobenie sa vyskytuje menej často – raz za dva roky. Aj toto tempo umožní tranzistorom dosiahnuť v blízkej budúcnosti veľkosť atómu. Ďalej je čiara, ktorú nemožno prekročiť. Z hľadiska fyzickej štruktúry tranzistora nemôže byť v žiadnom prípade menšia ako atómové veličiny. Zväčšenie veľkosti čipu problém nevyrieši. Prevádzka tranzistorov je spojená s uvoľňovaním tepelnej energie a procesory potrebujú kvalitný chladiaci systém. Viacjadrová architektúra tiež nerieši otázku ďalšieho rastu. Dosiahnutie vrcholu vo vývoji moderných procesorových technológií sa uskutoční čoskoro.
Vývojári tento problém pochopili v čase, keď používatelia ešte len začínali mať osobné počítače. V roku 1980 jeden zo zakladateľov kvantovej informačnej vedy, sovietsky profesor Jurij Manin, sformuloval myšlienku kvantových počítačov. O rok neskôr Richard Feyman navrhol prvý model počítača s kvantovým procesorom. Teoretický základ toho, ako by mali kvantové počítače vyzerať, sformuloval Paul Benioff.
Aby ste pochopili, ako nový procesor funguje, musíte mať aspoň povrchné znalosti o princípoch kvantovej mechaniky. Nemá zmysel uvádzať tu matematické rozloženia a vzorce. Bežnému človeku stačí, aby sa oboznámil s tromi charakteristickými črtami kvantovej mechaniky:
Z pohľadu zdravého rozumu - úplný nezmysel. V našom bežnom svete možno tieto princípy znázorniť takto: dvere do miestnosti sú zatvorené a zároveň otvorené. Zatvorené a otvorené zároveň.
Toto je markantný rozdiel medzi výpočtami. Bežný procesor pracuje v binárnom kóde. Počítačové bity môžu byť len v jednom stave – mať logickú hodnotu 0 alebo 1. Kvantové počítače pracujú s qubitmi, ktoré môžu mať logickú hodnotu 0, 1, 0 a 1 naraz. Pri riešení určitých problémov budú mať oproti tradičným počítačom mnohomiliónovú výhodu. Dnes už existujú desiatky popisov pracovných algoritmov. Programátori vytvárajú špeciálny programový kód, ktorý môže pracovať podľa nových princípov výpočtu.
Nový prístup k výpočtovému procesu vám umožňuje pracovať s obrovským množstvom údajov a vykonávať okamžité výpočtové operácie. S príchodom prvých počítačov mali niektorí ľudia, vrátane vládnych predstaviteľov, veľkú skepsu ohľadom ich využitia v národnom hospodárstve. Aj dnes existujú ľudia, ktorí sú plní pochybností o význame počítačov zásadne novej generácie. Technické časopisy veľmi dlho odmietali publikovať články o kvantovej výpočtovej technike, pretože túto oblasť považovali za bežný podvodný trik na oklamanie investorov.
Nová metóda výpočtovej techniky vytvorí predpoklady pre grandiózne vedecké objavy vo všetkých odvetviach. Medicína vyrieši mnohé problematické otázky, ktorých sa v poslednom čase nahromadilo pomerne veľa. Rakovinu bude možné diagnostikovať v skoršom štádiu ochorenia ako teraz. Chemický priemysel bude schopný syntetizovať produkty s jedinečnými vlastnosťami.
Prelom v astronautike na seba nenechá dlho čakať. Lety na iné planéty sa stanú samozrejmosťou ako každodenné výlety po meste. Potenciál, ktorý spočíva v kvantových výpočtoch, určite zmení našu planétu na nepoznanie.
Ďalšou charakteristickou črtou, ktorú majú kvantové počítače, je schopnosť kvantových počítačov rýchlo nájsť požadovaný kód alebo šifru. Bežný počítač vykonáva matematické optimalizačné riešenie postupne, pričom skúša jednu možnosť za druhou. Kvantový konkurent pracuje s celým radom údajov naraz, pričom bleskovou rýchlosťou vyberá najvhodnejšie možnosti v bezprecedentne krátkom čase. Bankové transakcie budú dešifrované mihnutím oka, čo je pre moderné počítače nedostupné.
Bankový sektor sa však báť nemusí – jeho tajomstvo zachráni metóda kvantového šifrovania s paradoxom merania. Pri pokuse o otvorenie kódu bude prenášaný signál skreslený. Získané informácie nebudú dávať žiadny zmysel. O možnosti kvantových výpočtov sa zaujímajú tajné služby, pre ktoré je špionáž bežnou praxou.
Problém spočíva vo vytvorení podmienok, za ktorých môže kvantový bit zostať v stave superpozície na neurčito.
Každý qubit je mikroprocesor, ktorý funguje na princípoch supravodivosti a zákonoch kvantovej mechaniky.
Okolo mikroskopických prvkov logického stroja sa vytvára množstvo jedinečných podmienok prostredia:
Mierna odchýlka v prostredí spôsobí, že qubity okamžite stratia svoj stav superpozície, čo vedie k poruche.
Všetko vyššie uvedené by sa dalo pripísať kreativite horúčkovitej mysle spisovateľa sci-fi príbehov, keby Google spolu s NASA minulý rok nezakúpili kvantový počítač D-Wave od kanadskej výskumnej korporácie, ktorého procesor obsahuje 512 qubitov.
S jej pomocou bude líder na trhu výpočtovej techniky riešiť problémy so strojovým učením pri triedení a analýze veľkého množstva dát.
Snowden, ktorý opustil Spojené štáty, tiež urobil dôležité odhaľujúce vyhlásenie - NSA tiež plánuje vyvinúť vlastný kvantový počítač.
Úspešný kanadský atlét Geordie Rose po dohode s Google a NASA začal stavať 1000-qubitový procesor. Budúci model prekoná prvý komerčný prototyp v rýchlosti a objeme výpočtov najmenej 300-tisíckrát. Kvantový počítač na obrázku nižšie je prvou komerčnou verziou zásadne novej výpočtovej technológie na svete.
Zapojiť sa do vedeckého rozvoja ho podnietilo jeho zoznámenie sa s prácami Colina Williamsa o kvantových výpočtoch na univerzite. Treba povedať, že Williams dnes pracuje v korporácii Rose ako manažér biznis projektov.
Rose sám úplne nevie, čo sú kvantové počítače. Za desať rokov prešiel jeho tím od vytvorenia 2-qubitového procesora k dnešnému prvému komerčnému nápadu.
Od samého začiatku svojho výskumu sa Rose snažil vytvoriť procesor s minimálnym počtom qubitov 1 tisíc. A rozhodne musel mať komerčnú možnosť – aby predal a zarobil.
Mnohí, ktorí poznajú Roseinu posadnutosť a obchodný talent, sa ho snažia obviniť z falšovania. Údajne sa najobyčajnejší procesor vydáva za kvantový. Tomu napomáha aj skutočnosť, že nová technológia vykazuje fenomenálny výkon pri vykonávaní určitých typov výpočtov. Inak sa správa ako úplne obyčajný počítač, len veľmi drahý.
Nie je potrebné dlho čakať. Výskumná skupina organizovaná spoločnými nákupcami prototypu podá správu o výsledkoch výskumu na D-Wave v blízkej budúcnosti.
Možno čoskoro príde čas, keď kvantové počítače prinesú revolúciu v našom chápaní sveta okolo nás. A celé ľudstvo v tejto chvíli dosiahne vyššiu úroveň svojho vývoja.
Minulý týždeň sa objavili správy, že Google urobil prelom vo vývoji kvantového počítača -
spoločnosť pochopila, ako si takýto počítač poradí
s vlastnými chybami. O kvantových počítačoch sa hovorí už niekoľko rokov: boli napríklad na titulke magazínu Time. Ak sa takéto počítače objavia, bude to prelom podobný vzhľadu klasických počítačov – alebo ešte vážnejší. Look At Me vysvetľuje, prečo sú kvantové počítače skvelé a čo presne Google urobil.
Kvantový počítač je mechanizmus na priesečníku informatiky a kvantovej fyziky, najkomplexnejšieho odvetvia teoretickej fyziky. Richard Feynman, jeden z najväčších fyzikov 20. storočia, raz povedal: „Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej fyzike, potom jej nerozumiete. Preto si uvedomte, že nasledujúce vysvetlenia sú neuveriteľne zjednodušené. Ľudia trávia mnoho rokov snahou porozumieť kvantovej fyzike.
Kvantová fyzika sa zaoberá elementárnymi časticami menšími ako atóm. Spôsob, akým sú tieto častice štruktúrované a ako sa správajú, je v rozpore s mnohými našimi predstavami o vesmíre. Kvantová častica môže byť na viacerých miestach súčasne – a v niekoľkých stavoch súčasne. Predstavte si, že ste si hodili mincou: kým je vo vzduchu, nemôžete povedať, či vyletí hlavou alebo chvostom; Táto minca je ako hlavy a chvosty zároveň. Zhruba takto sa správajú kvantové častice. Toto sa nazýva princíp superpozície.
Kvantový počítač je stále hypotetické zariadenie, ktoré bude využívať princíp superpozície (a ďalšie kvantové vlastnosti)
pre výpočty. Bežný počítač pracuje s tranzistormi,
ktorí akékoľvek informácie vnímajú ako nuly a jednotky. Binárny kód môže opísať celý svet - a vyriešiť akékoľvek problémy v ňom. Kvantový analóg klasického bitu sa nazýva cubit. (qubit, qu - od slova kvantový, kvantový). Pomocou princípu superpozície môže byť lakeť súčasne
v stave 0 a 1 - a to nielen výrazne zvýši výkon v porovnaní s tradičnými počítačmi, ale tiež vám umožní vyriešiť neočakávané problémy,
ktorých bežné počítače nie sú schopné.
Nie Vzhľadom na to, že kvantové počítače existujú len teoreticky, vedci zatiaľ len špekulujú, ako presne budú fungovať. Napríklad sa verí, že kvantové počítače budú využívať aj kvantové zapletenie.
Toto je fenomén, ktorý Albert Einstein nazval „neskutočným“ ( bol všeobecne proti kvantovej teórii, pretože sa nezhoduje s jeho teóriou relativity). Zmyslom tohto javu je, že dve častice vo vesmíre môžu byť prepojené a naopak: povedzme, ak helicita
(existuje taká charakteristika stavu elementárnych častíc, nebudeme zachádzať do detailov) prvá častica je kladná, potom bude helicita druhej vždy záporná a naopak. Tento jav sa nazýva „strašidelný“ z dvoch dôvodov. Po prvé, toto spojenie funguje okamžite, rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Po druhé, zapletené častice môžu byť umiestnené v akejkoľvek vzdialenosti od seba.
od seba navzájom: napríklad na rôznych koncoch Mliečnej dráhy.
Vedci hľadajú aplikácie pre kvantové počítače a zároveň vymýšľajú, ako ich postaviť. Hlavná vec je, že kvantový počítač bude schopný veľmi rýchlo optimalizovať informácie a vo všeobecnosti pracovať s veľkými údajmi, ktoré hromadíme, ale ešte nerozumieme, ako ich používať.
Predstavme si túto možnosť (samozrejme veľmi zjednodušené): Chystáte sa strieľať z luku na cieľ a musíte si vypočítať, ako vysoko zamieriť, aby ste zasiahli. Povedzme, že potrebujete vypočítať výšku od 0 do 100 cm Bežný počítač vypočíta každú trajektóriu postupne: najprv 0 cm, potom 1 cm, potom 2 cm atď. Kvantový počítač vypočíta všetky možnosti súčasne – a okamžite vytvorí tú, ktorá vám umožní zasiahnuť cieľ. Týmto spôsobom môžete optimalizovať mnohé procesy:
z medicíny (povedzme, diagnostikovať rakovinu skôr) pred letectvom (napríklad vytvorte zložitejších autopilotov).
Existuje aj verzia, že takýto počítač bude vedieť riešiť problémy, ktorých bežný počítač jednoducho nie je schopný – alebo by to zabralo tisíce rokov výpočtov. Kvantový počítač bude schopný pracovať s najkomplexnejšími simuláciami: napríklad vypočítať, či sú vo vesmíre iné inteligentné bytosti ako ľudia. Je možné, že povedie vytvorenie kvantových počítačov
k vzniku umelej inteligencie. Predstavte si, čo s naším svetom urobil príchod konvenčných počítačov – kvantové počítače by mohli byť približne rovnakým prielomom.
Všetky. Vlády, armáda, technologické spoločnosti. Vytvorenie kvantového počítača bude prospešné takmer pre každého. Povedzme, že medzi dokumentmi, ktoré zverejnil Edward Snowden, boli informácie, že NSA má projekt s názvom „Infiltrácia komplexných cieľov“, ktorý zahŕňa vytvorenie kvantového počítača na šifrovanie informácií. Microsoft sa kvantovým počítačom vážne venuje – svoj prvý výskum v tejto oblasti začali už v roku 2007. IBM sa vyvíja a pred niekoľkými rokmi oznámilo, že vytvorilo čip s tromi qubitmi. Nakoniec Google a NASA spolupracujú
so spoločnosťou D-Wave, ktorá hovorí, že už vyrába
"prvý komerčný kvantový procesor" (alebo skôr ten druhý, teraz sa ich model volá D-Wave Two), ale zatiaľ to nefunguje ako kvantové -
Pripomeňme, že neexistujú.
Nikto to nevie s istotou povedať. Správy o technologických prelomoch (ako najnovšie správy o Google) sa objavujú neustále, ale môžeme byť veľmi ďaleko
z plnohodnotného kvantového počítača a veľmi blízko k nemu. Povedzme, že existujú štúdie, ktoré ukazujú, že stačí vytvoriť počítač
s niekoľkými stovkami lakťov tak, aby fungoval ako plnohodnotný kvantový počítač. D-Wave tvrdí, že vytvoril 84-qubitový procesor -
ale kritici, ktorí analyzovali ich procesor, tvrdia, že funguje,
ako klasický počítač, nie ako kvantový. Google spolupracuje
s D-Wave veria, že ich procesor je jednoducho vo veľmi ranom štádiu vývoja a nakoniec bude fungovať ako kvantový. Každopádne, teraz
Kvantové počítače majú jeden hlavný problém – chyby. Každý počítač robí chyby, ale klasické sa s nimi ľahko vyrovnajú – ale kvantové počítače ešte nie. Keď výskumníci zistia chyby, príchod kvantového počítača bude vzdialený len niekoľko rokov.
Pre zjednodušenie možno chyby v kvantových počítačoch rozdeliť do dvoch úrovní. Prvým sú chyby, ktoré robí každý počítač, vrátane klasických. V pamäti počítača sa môže objaviť chyba, keď sa 0 nedobrovoľne zmení na 1 v dôsledku vonkajšieho šumu – napríklad kozmického žiarenia alebo žiarenia. Tieto chyby sa dajú ľahko vyriešiť; A Google len nedávno riešil tento problém v kvantových počítačoch: stabilizovali reťazec deviatich qubitov
a zachránil ju pred chybami. Existuje však jedna výhrada k tomuto prelomu: Google sa vysporiadal s klasickými chybami v klasickej výpočtovej technike. V kvantových počítačoch existuje druhá úroveň chýb a je oveľa ťažšie ju pochopiť a vysvetliť.
Lajčatá sú extrémne nestabilné, podliehajú kvantovej dekoherencii – ide o narušenie komunikácie v rámci kvantového systému pod vplyvom prostredia. Kvantový procesor musí byť čo najviac izolovaný od okolitých vplyvov (hoci k dekoherencii niekedy dochádza v dôsledku vnútorných procesov) aby sa chyby obmedzili na minimum. Kvantové chyby sa zároveň nedajú úplne eliminovať, ale ak sú dostatočne zriedkavé, kvantový počítač môže fungovať. Niektorí vedci sa zároveň domnievajú, že 99 % výkonu takéhoto počítača bude smerovať
na odstránenie chýb, ale zvyšné 1 % stačí na vyriešenie prípadných problémov.
Podľa fyzika Scotta Aaronsona možno úspech Googlu považovať za tretí
s polovicou zo siedmich krokov potrebných na vytvorenie kvantového počítača – inými slovami, sme na polceste.
Ľudstvo, podobne ako pred 60 rokmi, je opäť na prahu veľkého prelomu v oblasti výpočtovej techniky. Veľmi skoro budú dnešné počítacie stroje nahradené kvantovými počítačmi.
V roku 1965 Gordon Moore povedal, že za rok sa počet tranzistorov, ktoré sa zmestia na kremíkový mikročip, zdvojnásobí. Toto tempo pokroku sa v poslednom čase spomalilo a zdvojnásobenie sa vyskytuje menej často – raz za dva roky. Aj toto tempo umožní tranzistorom dosiahnuť v blízkej budúcnosti veľkosť atómu. Ďalej je čiara, ktorú nemožno prekročiť. Z hľadiska fyzickej štruktúry tranzistora nemôže byť v žiadnom prípade menšia ako atómové veličiny. Zväčšenie veľkosti čipu problém nevyrieši. Prevádzka tranzistorov je spojená s uvoľňovaním tepelnej energie a procesory potrebujú kvalitný chladiaci systém. Viacjadrová architektúra tiež nerieši otázku ďalšieho rastu. Dosiahnutie vrcholu vo vývoji moderných procesorových technológií sa uskutoční čoskoro.
Vývojári tento problém pochopili v čase, keď používatelia ešte len začínali mať osobné počítače. V roku 1980 jeden zo zakladateľov kvantovej informačnej vedy, sovietsky profesor Jurij Manin, sformuloval myšlienku kvantových počítačov. O rok neskôr Richard Feyman navrhol prvý model počítača s kvantovým procesorom. Teoretický základ toho, ako by mali kvantové počítače vyzerať, sformuloval Paul Benioff.
Aby ste pochopili, ako nový procesor funguje, musíte mať aspoň povrchné znalosti o princípoch kvantovej mechaniky. Nemá zmysel uvádzať tu matematické rozloženia a vzorce. Bežnému človeku stačí, aby sa oboznámil s tromi charakteristickými črtami kvantovej mechaniky:
Z pohľadu zdravého rozumu - úplný nezmysel. V našom bežnom svete možno tieto princípy znázorniť takto: dvere do miestnosti sú zatvorené a zároveň otvorené. Zatvorené a otvorené zároveň.
Toto je markantný rozdiel medzi výpočtami. Bežný procesor pracuje v binárnom kóde. Počítačové bity môžu byť len v jednom stave – mať logickú hodnotu 0 alebo 1. Kvantové počítače pracujú s qubitmi, ktoré môžu mať logickú hodnotu 0, 1, 0 a 1 naraz. Pri riešení určitých problémov budú mať oproti tradičným počítačom mnohomiliónovú výhodu. Dnes už existujú desiatky popisov pracovných algoritmov. Programátori vytvárajú špeciálny programový kód, ktorý môže pracovať podľa nových princípov výpočtu.
Nový prístup k výpočtovému procesu vám umožňuje pracovať s obrovským množstvom údajov a vykonávať okamžité výpočtové operácie. S príchodom prvých počítačov mali niektorí ľudia, vrátane vládnych predstaviteľov, veľkú skepsu ohľadom ich využitia v národnom hospodárstve. Aj dnes existujú ľudia, ktorí sú plní pochybností o význame počítačov zásadne novej generácie. Technické časopisy veľmi dlho odmietali publikovať články o kvantovej výpočtovej technike, pretože túto oblasť považovali za bežný podvodný trik na oklamanie investorov.
Nová metóda výpočtovej techniky vytvorí predpoklady pre grandiózne vedecké objavy vo všetkých odvetviach. Medicína vyrieši mnohé problematické otázky, ktorých sa v poslednom čase nahromadilo pomerne veľa. Rakovinu bude možné diagnostikovať v skoršom štádiu ochorenia ako teraz. Chemický priemysel bude schopný syntetizovať produkty s jedinečnými vlastnosťami.
Prelom v astronautike na seba nenechá dlho čakať. Lety na iné planéty sa stanú samozrejmosťou ako každodenné výlety po meste. Potenciál, ktorý spočíva v kvantových výpočtoch, určite zmení našu planétu na nepoznanie.
Ďalšou charakteristickou črtou, ktorú majú kvantové počítače, je schopnosť kvantových počítačov rýchlo nájsť požadovaný kód alebo šifru. Bežný počítač vykonáva matematické optimalizačné riešenie postupne, pričom skúša jednu možnosť za druhou. Kvantový konkurent pracuje s celým radom údajov naraz, pričom bleskovou rýchlosťou vyberá najvhodnejšie možnosti v bezprecedentne krátkom čase. Bankové transakcie budú dešifrované mihnutím oka, čo je pre moderné počítače nedostupné.
Bankový sektor sa však báť nemusí – jeho tajomstvo zachráni metóda kvantového šifrovania s paradoxom merania. Pri pokuse o otvorenie kódu bude prenášaný signál skreslený. Získané informácie nebudú dávať žiadny zmysel. O možnosti kvantových výpočtov sa zaujímajú tajné služby, pre ktoré je špionáž bežnou praxou.
Problém spočíva vo vytvorení podmienok, za ktorých môže kvantový bit zostať v stave superpozície na neurčito.
Každý qubit je mikroprocesor, ktorý funguje na princípoch supravodivosti a zákonoch kvantovej mechaniky.
Okolo mikroskopických prvkov logického stroja sa vytvára množstvo jedinečných podmienok prostredia:
Mierna odchýlka v prostredí spôsobí, že qubity okamžite stratia svoj stav superpozície, čo vedie k poruche.
Všetko vyššie uvedené by sa dalo pripísať kreativite horúčkovitej mysle spisovateľa sci-fi príbehov, keby Google spolu s NASA minulý rok nezakúpili kvantový počítač D-Wave od kanadskej výskumnej korporácie, ktorého procesor obsahuje 512 qubitov.
S jej pomocou bude líder na trhu výpočtovej techniky riešiť problémy so strojovým učením pri triedení a analýze veľkého množstva dát.
Snowden, ktorý opustil Spojené štáty, tiež urobil dôležité odhaľujúce vyhlásenie - NSA tiež plánuje vyvinúť vlastný kvantový počítač.
Úspešný kanadský atlét Geordie Rose po dohode s Google a NASA začal stavať 1000-qubitový procesor. Budúci model prekoná prvý komerčný prototyp v rýchlosti a objeme výpočtov najmenej 300-tisíckrát. Kvantový počítač na obrázku nižšie je prvou komerčnou verziou zásadne novej výpočtovej technológie na svete.
Zapojiť sa do vedeckého rozvoja ho podnietilo jeho zoznámenie sa s prácami Colina Williamsa o kvantových výpočtoch na univerzite. Treba povedať, že Williams dnes pracuje v korporácii Rose ako manažér biznis projektov.
Rose sám úplne nevie, čo sú kvantové počítače. Za desať rokov prešiel jeho tím od vytvorenia 2-qubitového procesora k dnešnému prvému komerčnému nápadu.
Od samého začiatku svojho výskumu sa Rose snažil vytvoriť procesor s minimálnym počtom qubitov 1 tisíc. A rozhodne musel mať komerčnú možnosť – aby predal a zarobil.
Mnohí, ktorí poznajú Roseinu posadnutosť a obchodný talent, sa ho snažia obviniť z falšovania. Údajne sa najobyčajnejší procesor vydáva za kvantový. Tomu napomáha aj skutočnosť, že nová technológia vykazuje fenomenálny výkon pri vykonávaní určitých typov výpočtov. Inak sa správa ako úplne obyčajný počítač, len veľmi drahý.
Nie je potrebné dlho čakať. Výskumná skupina organizovaná spoločnými nákupcami prototypu podá správu o výsledkoch výskumu na D-Wave v blízkej budúcnosti.
Možno čoskoro príde čas, keď kvantové počítače prinesú revolúciu v našom chápaní sveta okolo nás. A celé ľudstvo v tejto chvíli dosiahne vyššiu úroveň svojho vývoja.
