Martin Kysilka, 8. LISTOPADU 2018

Schopnost lidí sestavit skutečný kvantový počítač byla po léta zpochybňována. Byly proto také reálné důvody, ale ty se již postupně hroutí. Vývoj kvantových počítačů zaznamenal v předešlém roce značný pokrok. IBM představilo prototyp kvantového procesoru, který obsahuje 50 qubitů, společnost D-Wave Systems zase zaskórovala se specializovaným kvantovým počítačem s 2048 qubity a mezi Pekingem a Vídní proběhl první videohovor šifrovaný kvantovou technologií. 

Tak jako v 60. letech minulého století supervelmoce soupeřily v dobývání vesmíru, dnes probíhají závody ve výrobě prvního skutečně výkonného a především stabilního kvantového počítače. Vítěz se zapíše do historie jako autor jedné z nejvýznamnějších technologií 21. století.

Proč kvantový computing?

Tradiční počítače jsou založeny na manipulaci s již jasně definovanými bity v soustavě nul a jedniček. Kvantové počítače fungují na zcela jiném principu. Kvantový computing pracuje s kvantovou analogií klasickeho bitu, a sice s qubitem (kvantový bit; qbit). Zatímco bit může nabýt v daný okamžik pouze jednoho z oněch dvou stavů, kvantová mechanika umožňuje qubitu být v pozici obou stavů ve stejném okamžiku, v takzvané superpozici. Pravě tento stav má pro možnosti výpočetní techniky ony obrovské dopady.

Svět kvantového computingu se stále potýká s mnoha problémy. Udržet systém propojených qubitů stabilní představuje pro vývojáře velmi obtížnou překážku. Vnější vlivy totiž ruší a vytlačují qubity z jejich superpozice. Současné kvantové počítače jsou stále příliš malé a náchylné k chybám, než aby ve většině úkolů překonaly nynější superpočítače.

Výkon qubitů se škáluje exponenciálně. Dvouqubitový počítač vám umožní vypočítat dvě kalkulace najednou, tříqubitový devět a čtyřqubitový šestnáct. Kvantový počítač s třemi sty qubity by tak mohl vykonávat více výpočtů naráz, než je atomů ve vesmíru.

Kvantový „mrazák“ od Microsoftu udržuje qubity v superchladných teplotách

Kdo pracuje na kvantových počítačích?

O kvantové prvenství usilují jak tradiční giganti, tak specializované startupy. Mezi přední vývojáře patří:

1) IBM
2) Microsoft
3) Google
4) D-Wave Systems
5) Rigetti Computing
6) Intel

Největším konkurentem USA v boji o kvantové prvenství je Čína. Té se jako první například podařilo vypustit kvantový satelit. Známá čínská společnost Alibaba také nedávno spustila jedenácti qubitovou cloudovou platformu. O čínském kvantovém programu se toho však příliš neví. 

Kvantové počítače budou mít disruptivní dopad na mnohá odvětví a tím pádem i na naše životy. Pojďme se podívat, které profese a technologická odvětví kvantový computing zasáhne nejvíce.

Strojové učení

Strojové učení je založené na rozpoznávání vzorců (pattern recognition). Algoritmy prochází odlišné sady dat, aby v nich našly relevantní a nějakým způsobem spolu související informace. Cílem algoritmů je maximalizovat počet srovnání mezi daty a najít společný jmenovatel, který jednotlivé sady dat popíše co nejpřesněji. Kvantový computing má celý proces zpracování dat zásadně zefektivnit. Umožnil by nám porovnávat tisíckrát větší množství dat naráz a především paralelně. Ze spojení strojového učení a kvantových počítačů by vzešla neuvěřitelně výkonná umělá inteligence. I to je jedním z důvodů, proč je kvantový computing jednou z hlavních priorit Googlu.

Medicína

Opravdu výkonný kvantový počítač vědcům umožní vytvářet komplexní molekulární sestavy. To bude mít obrovský dopad zejména pro lékařský výzkum a vývoj nových léků. Brzy bychom tak měli být schopni vytvořit všech 20 000 + proteinů zakódovaných v lidském genomu a nasimulovat jejich spojení s modely nových či existujících léků. Na základně analýzy těchto interakcí bychom mohli objevit léky, které by vyléčily doposud neléčitelné nemoci.

Chemie (klimatické změny)

Kvantové počítače se mohou stát hlavním nástrojem pro pochopení klimatických změn. Pomohou nám pochopit, co přesně se děje a co s tím dělat. Ony simulace by nám také mohly pomoct objevit nové možnosti v energetice – například jak získat karbon z atmosféry a proměnit ho v nový zdroj energie.

Materiálové vědy a inženýrství

Protože budeme prostřednictvím kvantových počítačů umět nasimulovat atomové interakce, budeme také moci vyvinout zcela nové a lepší materiály – lepší supravodiče či lepší magnety, které nám umožní vytvořit baterie s větší kapacitou. 

Biometrie, energetické systémy a fotovoltaika

Vědci se domnívají, že většina přírodních procesů jako je například fotosyntéza, je postavena na základě kvantových mechanik. Již několikrát v historii se nám potvrdilo, že nejlepší je inspirovat se přímo v přírodě – pro vývoj lepších energetických systémů nebo silnějších materiálů. Onen skrytý potenciál nám opět pomohou rozkrýt modely a simulace kvantových počítačů. To povede k mnohým technologickým průlomům.

Kyberútoky a kyberbezpečnost

Vznik výkonného a stabilního kvantového počítače převrátí naruby celou oblast kyberútoků a kyberobrany. Opravdu silný kvantový počítač by díky své bezkonkurenční výpočetní síle zlomil většinu dnešních bezpečnostních systémů během několika sekund. I ptoto bude velmi důležité, kdo jej vynalezne jako první. Ohrožený by byl i doposud neprůstřelný blockchain. Je však dosti pravděpodobné, že se jednou dočkáme i kvantového blockchainu.

Dopad: Jeden čip s 50-60 qubity bude výkonnější než Tianhe-2 – nejvýkonnější superpočítač na světě. Ten disponuje třemi miliony jader od Intelu, stojí 400 milionů dolarů a zabírá rozlohu poloviny fotbalového hřiště.

Tianhe-2

Stejně tak jako v 50. letech 20. století odstartovali Microsoft s IBM digitální revoluci svými prvními digitálními počítači, tak i nyní nám s několika novými společnostmi přinesou novou revoluci a to kvantovou. Dopad kvantových počítačů na náš svět bude ohromný a napíše novou kapitolu lidských dějin. Zhotovení pravého kvantového superpočítače bude mít historicky mnohem větší dopad než jakákoliv doposud vyrobená výpočetní technika, počínaje tradičním počítadlem až po nynější superpočítače.