Americký IT gigant sľubuje „kvantového škorca“ ešte pred koncom desaťročia
Firma IBM oznámila, že v roku 2029 plánuje postaviť prakticky použiteľný kvantový počítač. Obsahovať by mal asi sto miliónov takzvaných kvantových hradiel vytvárajúcich jeho výpočtové obvody na dvesto quibitoch, ktoré slúžia ako základná jednotka kvantovej informácie.
Stroj s názvom „Quantum Starling“, čo v preklade znamená „kvantový škorec“, by sa tak mal stať prvým zariadením tohto typu s architektúrou špeciálne navrhnutou na to, aby opravovala vzniknuté chyby.
Počítač budú stavať v kvantovom dátovom stredisku IBM v meste Poughkeepsie v štáte New York. Ak by sme jeho funkciu chceli vyskúšať na klasických počítačoch, potrebovali by sme na to také množstvo pamäti, ktoré by sa vyjadrilo číslom so 48 nulami.
„IBM ukazuje ďalšiu hranicu v oblasti kvantových počítačov,“ povedal Arvind Krišna, predseda predstavenstva a generálny riaditeľ IBM. „Naša odbornosť v oblasti matematiky, fyziky a inžinierstva pripravuje pôdu pre rozsiahly kvantový počítač odolný voči chybám – taký, ktorý vyrieši výzvy v reálnom svete a odomkne obrovské možnosti pre podnikanie.“
Stroj sa stane základom pre „Blue Jay“, teda „modrú sojku“. Tento počítač plánovaný na rok 2033 bude schopný vykonať miliardu kvantových operácií na 2 000 qubitoch. IBM si bude musieť dať pozor na to, že slovo označujúce tohto vtáka v angličtine používajú aj vo významoch hlupák, táraj či prostoduchý.
Kvantové technológie IBM siahajú do minulosti
Spoločnosť IBM zverejnila „cestovnú mapu“, ktorou prezentuje svoju existujúcu aj budúcu cestu ku kvantovým počítačom. Tá ukazuje, že s touto technológiou začala firma experimentovať už v roku 2016, keď jej prvý kvantový počítač, opäť s vtáčím menom „Canary“ (kanárik), obsahoval iba päť qubitov.
Do roku 2019 pribudol ešte 16-qubitový „Albatross“ a 20-qubitový „Penguin“ (tučniak). Najväčšia z počiatočných mašín využívala 53 qubitov, niesla však neutrálne meno „Prototype“ (prototyp).
Mená vtákov sa v nasledujúcom období vrátili. Falcon (sokol) osadený 27 qubitmi prišiel v roku 2020. Výrazný pokrok nastal v roku 2022, keď IBM sprístupnila 127-qubitový počítač „Eagle“ (orol).
Aktuálnou špičkou IBM je kvantový počítač „Heron“ (volavka) z roku 2024 obsahujúci päťtisíc kvantových hradiel a 133 qubitov. Pred uvedením „Škorca“ do prevádzky by sa však mal ešte v aktuálnom roku objaviť aj „Nighthawk“ (lelek) obsahujúci tiež päťtisíc hradiel, ale len 120 qubitov.
Tento počítač plánujú počas nasledovných rokov postupne vylepšovať. V roku 2026 zvýši počet hradiel na 7 500 a celkový počet qubitov budú môcť prepojením jednotiek znásobiť až na číslo 360.
V rokoch 2027 a 2028 dôjde k opätovnému rozširovaniu existujúceho systému. Prepojením deviatich blokov tak „Nighhawk“ dosiahne s desaťtisícom kvantových hradiel celkovo až 1 080 qubitov.
Jednotlivé hardvérové vylepšenia pritom predstavujú celú vtáčiu voliéru. Objavil sa tak "Hummingbird" (kolibrík), "Egret" (druh volavky), "Osprey" (kršiak rybár), "Condor" (kondor), "Flamingo" (plameniak) či "Crossbill" (krivonos). V budúcnosti prídu aj "Loon" (potáplica), "Kookaburra" (austrálsky rybárik) a "Cockatoo" (kakadu).
Opatrenia na opravu chýb
Pri kvantových výpočtoch využívajú skutočnosť, že príroda vo svojej základnej podstate funguje „kvantovo“, teda hodnoty jednotlivých veličín sa nemenia plynule, ale „skokom“.
Oveľa väčšiu výzvu však predstavuje situácia, že na mikroskopickej úrovni fungujú prírodné zákony zdanlivo „nelogicky“, keď sa informácie „áno“ a „nie“ vzájomne nevylučujú, ale vyskytujú spoločne.
Samotná kvantová informácia je uložená v takzvaných „qubitoch“, ktoré obsahujú kombinovaný stav logickej nuly a jednotky, kým pri „bitoch“, čo je hodnota informácie klasických počítačov, je logická jednotka alebo nula vždy jednoznačne určená.
Mnohoznačná kvantová informácia sa však veľmi ľahko zmení na „obyčajný“ jednoznačný stav procesom nazývaným „dekoherencia“, ku ktorému dôjde už len pôsobením prostredia. Qubity v kvantových počítačoch tak od týchto vplyvov, ktorým môže byť aj bežná izbová teplota či dokonca aj gravitácia, musia byť dokonale izolované.
Veľkou nevýhodou kvantových počítačov je ich veľká chybovosť spôsobená nielen dekoherenciou, ale aj takzvaným kvantovým šumom. Ten vyplýva zo základných princípov prírody a v podstate sa nedá odstrániť.
Oprava chýb, ktorá sa používa aj v klasických počítačoch, sa tak v tých kvantových stáva ich nevyhnutnou súčasťou. Vedecký tím IBM priniesol práve v tejto oblasti niekoľko štúdií, ktorých praktickú aplikáciu prenesú aj do konštrukcie prístroja „Starling“.
„Odpovedali sme na tieto vedecké otázky. Teraz nepotrebujete zázrak,“ zdôraznil Jay Gambetta, viceprezident zodpovedný za kvantovú iniciatívu IBM. „Teraz potrebujete veľkú výzvu v oblasti inžinierstva. Nie je tu žiadne nové vynájdenie nástrojov alebo niečo podobné.“
Obrovský výkon v špecializovaných úlohách
Kvantové počítače by nemali úplne nahradiť tie klasické. Používať ich budú najčastejšie v úlohách, kde jednoznačne vyniknú ich výhody. Medzi ne patrí hlavne vysoká schopnosť riešiť úlohy paralelne. Tá vychádza už z faktu, že qubit v sebe obsahuje všetky logické hodnoty zároveň.
Medzi prvé aplikácie preto patrí oblasť bezpečnosti. Klasické šifrovacie algoritmy často utajujú na princípe matematického problému, ktorý je klasickými počítačmi obťažne riešiteľný a k výsledku sa nedá dopracovať v reálnom čase.
Napríklad rozdelenie súčinu veľkých prvočísiel na prvočinitele je pre bežné počítače tak komplikovanou úlohou, že na jeho základe vznikol princíp takzvaného asymetrického šifrovania. Používa previazaný súkromný a verejný kľúč a je aj základom elektronického podpisu.
Pre kvantové počítače však existuje Shorov algoritmus, ktorý dokáže takúto úlohu riešiť o niekoľko rádov rýchlejšie ako klasický počítač. A hoci súčasné kvantové počítače ešte nedokážu bežne používané šifry prelomiť, práve z dôvodov ich vysokej chybovosti, vyvinuli šifrovacie algoritmy, ktoré by kvantovým počítačom mali odolať už z princípu.
Automaticky odolnou voči kvantovým počítačom sa však stávajú kryptografické metódy vybudované na kvantovom princípe. Takéto komunikačné siete budujú aj na Slovensku.
Využiteľnosť kvantových počítačov sa však nekončí pri šifrovaní a dešifrovaní. Jednou z ich významných aplikácií sa stáva takzvaný „Problém obchodného cestujúceho“, kde ide o nájdenie najkratšej cesty obchodníka, ktorý tak navštívi všetkých zákazníkov. Tento klasickými počítačmi ťažko riešiteľný problém dokážu kvantové počítače vypočítať oveľa rýchlejšie.