Společnost Google měla na 23. října letošního roku připravenou mediální „bombu“. V časopise Nature totiž toho dne vyšla práce, ve které tým společnosti tvrdí, že nastal bod, kdy dnešní klasické elektronické (a částečně spintronické) počítače přestaly v některých úlohách stačit počítačům kvantovým. Plánované grandiózní zveřejnění neproběhlo zcela podle plánu – a může za to NASA a algoritmy samotného Googlu.
Zhruba měsíc před plánovaným vydáním práce někdo ze spolupracovníků týmu v Amesově výzkumném středisku NASA podle všeho zcela nedopatřením nahrál kopii vědeckého textu o úspěchu na server NASA určený pro zveřejňování technických zpráv (NASA Technical Reports Server). Omyl rychle napravil a text smazal.
Ovšem vyhledávač (konkrétně vyhledávací „crawler“) Google prakticky okamžitě text i na málo známém serveru NASA zachytily. Systém okamžitě poslal kopii každému, kdo měl ve službě sledování vědeckých publikací Google Scholar zaškrtnuto, že chce dostávat novinky z oblasti kvantových počítačů. Zpráva se nezadržitelně rozšířila a plánovaná „bomba“ v říjnu tedy dopadla s podstatně menším efektem, než asi PR oddělení Googlu doufalo.
Pokud vás výpočetní technika nezajímá, tady klidně přestaňte číst – pro váš život důležitější informaci, než že na internetu unikne téměř všechno, co uniknout může, se nedozvíte. Všechny ostatní pak zveme dále, aby se buď dozvěděli něco nového, případně se aspoň pobavili nad tím, jak (další) novinář těžce bojuje s tématem kvantových počítačů.
Ve světě za zrcadlem
Kvantové počítače mají již za sebou bohatou historii papírovou. „Vysnil“ si je slavný fyzik Richard Feynman před víc než půlstoletím. Právě on si podle všeho jako první uvědomil, že s využitím zákonů kvantové mechaniky je teoreticky možné postavit zařízení s ohromným výpočetním výkonem.
Možné to je díky spojení několika na pohled opravdu podivných zákonitostí kvantového světa. První z nich říká, že velmi malé „věci“ mohou být v několika stavech najednou (tzv. kvantová superpozice stavů). Klasický bit může být buď 1, nebo 0; kvantový bit (čili qubit) může být obojí najednou. Nemá smysl příliš přemýšlet na tím, jak a proč je to možné. V našem makroskopickém světě to možné není, ve světě elementárních částic ano.
U jednoho qubitu to není proti klasickému bitu velký rozdíl – v podstatě může nést jen dvojnásobné množství informací. Ale znovu opakujeme, že v kvantovém světě neplatí normální pravidla. Kvantové počítače kromě principu „obojakosti“, tedy superpozice stavů, využívají ještě tzv. „magického“ pouta kvantové provázanosti.
To je další neintuitivní jev: nám v tuto chvíli stačí velmi zjednodušeně říci, že při něm dojde k vytvoření „magického“ pouta mezi dvěma částicemi či atomy. Když je dokážete vzdálit a udržet přitom provázané, můžete pak působením na jednu z nich na teoreticky libovolnou vzdálenost okamžitě ovlivnit i stav částice druhé.
Když tedy provážete dva kvantové bity, tedy dva qubity, najednou mohou nést čtyřikrát tolik informací. Teoreticky není důvod, proč jich neprovázat ještě více: tři, deset nebo sto. A tady už je nárůst neuvěřitelně rychlý – množství informací v systému roste s mocninou počtu provázaných qubitů. V případě dvou je to 2², tedy 4. Pro pět je to 25, tedy 32. A pro 53 qubitů je to už 253, tedy 9 007 199 254 740 992 (devět biliard).
Ještě jeden kvantový trikKvantové počítače mohou používat i další „triky“ z kvantového světa. Jedním takovým je „kvantové tunelování“, které (s velkou pravděpodobností) používají počítače firmy D-Wave. Ta staví vysoce specializované stroje pro tzv. adiabatické kvantové počítače. Ty na rozdíl od klasických (tzv. hradlových) počítačů nepracují s qubity pomocí logických operací. Odborníci říkají, že upravováním vnějších podmínek převedou qubity ze základního stavu do stavu odpovídajícího řešení daného problému. Pro laiky poněkud matoucí definici si snad trochu vyjasníme v dále uvedeném příkladu. Nyní si jen řekněme, že adiabatické kvantové počítače jsou ve svém použití opravdu omezené. Nejsou schopné provádět ani kryptografické výpočty, ve kterých by kvantové počítače měly ty klasické o tolik předbíhat. Je to samozřejmě škoda, protože ten dnes nejvýkonnější počítač D-Wave má již 1 024 qubitů. Zvláštní povahu počítačů D-Wave si můžeme ukázat díky jedné „terénní“ analogii. V ní si počítač můžeme představit jako trojrozměrnou mapu krajiny se sadou kuliček (tj. bitů, respektive kvantových bitů, qubitů). Když dáme kuličky na mapu, tak se automaticky skutálejí do nejhlubšího „údolí“ v okolí. Takového stroje se nemůžete zeptat na libovolný problém, ale můžete se například otázat, jak se s co nejmenším výdajem energie dostat z bodu A do bodu B. Nebo na libovolný jiný problém, který dokážete zformulovat do otázky v této formě. Například „kdy si atomy nějaké sloučeniny ‚sednou‘ do podoby s nejnižší možnou celkovou energií, a vznikne tedy nová, stabilní sloučenina.“ Kvantové počítače při řešení takové úlohy tak trochu podvádí a využívají například tzv. „kvantového tunelování“. Ve světě jednotlivých částic se může čas od času skutečně stát, že částice dokážou projít zdánlivě neprostupnou překážkou (tzv. potenciálovou bariérou), tedy se jí „protunelovat“. V rámci našeho příměru bychom mohli říci, že kuličky umí procházet horami v krajině. Prostě ji „proskočí“, a díky tomu si ušetří spoustu práce. (Znovu je to jen příměr). Kvantové počítače bývají dnes chlazeny na teplotu blízkou absolutní nule (0,005 stupně nad absolutní nulou). Při vyšších teplotách by qubity v počítači mohly „přeskakovat“ překážky díky náhodným teplotním výkyvům, při extrémně nízkých teplotách na to nemají dost energie. Protože jednotlivé qubity jsou kvantově provázány, počítač v podstatě pracuje se všemi možnostmi najednou. Když se pak najde správné řešení a jeden dílek zapadne na své místo, ostatní dílky si pak jako kouzlem také sednou na „správné“ místo. Stále se vedou spory o to, zda je blízká budoucnost kvantových počítačů právě v takovýchto specializovaných kvantových zařízeních, nebo bude možné vytvořit dostatečně spolehlivý univerzální kvantový počítač. D-Wave o tom pochybuje a staví stále silnější počítače určené právě jen pro podobné úlohy. Jiní vývojáři, například IBM či zjevně Google, si myslí opak. |
Už asi chápete přitažlivost nápadu. Bohužel, jeho realizace není nic jednoduchého. Vytvořením provázaného systému qubitů a spuštěním výpočtu potíže nekončí. Výsledek pak musíte ještě z počítače vyčíst tak, abyste ho při tom nepoškodili. Pokud byste totiž jednoduše zjišťovali stav qubitů během výpočtu, zhroutily by se do podoby nudné klasické částice s jedním jediným bitem informace. Kouzlo kvantového počítače by se hned vytratilo.
Ke zjišťování výsledku se proto využívá speciálních technik (na principu tzv. kvantové interference). Jak název napovídá, v podstatě jde o to, že se jednotlivé „možnosti“ v rámci výsledku buď navzájem posilují, či naopak vzájemně oslabují. Některé se tedy stávají pravděpodobnějšími, protože se „podpoří“, jiné naopak méně pravděpodobnými, protože je jiná možnosti „ruší“. Správně sestrojený kvantový počítač (a správně nastavený algoritmus) postupně „zesiluje“ správné řešení, až na konci výpočtu zůstane právě to.
Kvantové počítače nebudou nikdy rychlejší ve všech typech úloh. Ne vždy podobný paralelní výpočet představuje tak velkou výhodu. Ale existují problémy, o kterých jsme si teď již naprosto jistí, že v nich budou bezkonkurenčně nejlepší. Asi nejslavnější z nich se týká počítačového šifrování a nese název po svém objeviteli, matematiku Peteru Shorovi – tzv. Shorův algoritmus.
Byl zveřejněn v roce 1994 a šlo vlastně o první ukázku praktické využitelnosti kvantových počítačů. Z pohledu laika je to zcela nezajímavý návod, jak hledat prvočinitele velikých čísel; ve skutečnosti ovšem Peter Shor ukázal, že kvantové počítače by díky svým vlastnostem měly být schopny prolomit celou řadu tehdy (a dnes stále) používaných šifer.
Existují i jiné slavné nápady, jak využít kvantových počítačů k něčemu, co klasické počítače nezvládnou (především Groverův algoritmus na prohledávání databází), ale rok 1994 byl přelomový. Od té doby se nástup kvantových počítačů očekává se směsicí obav a nadšení. Celá desetiletí šlo ovšem o pocity platonické, protože bylo jasné, že kvantové počítače jsou daleko. Jak ale (mimo jiné) dokládá výsledek Googlu, času ubývá.
Proč 53?
Možná jste si všimli, že jsme si pro příklad extrémně rychlého nárůstu výpočtu kvantových počítačů vybrali poněkud zvláštní číslo – 53. Jak jste jistě pochopili, nebo víte odjinud, není to náhoda.
Právě s 53 qubity totiž pracoval procesor „Sycamore“, s jehož pomocí tým Googlu v časopise Nature oznámil nástup „kvantové dominance“, tedy – zopakujme to znovu – okamžik, kdy kvantové počítače reálně zvládnout aspoň některé výpočty rychleji než i ty nejrychlejší počítače klasického typu.
Fotografie čipu Sycamore
Sycamore je zařízení založené na dnes řadou týmů favorizované technologii vytváření qubitů ve smyčkách supravodivého vodiče (dodejme, že nejen kvůli supravodivosti chlazeným tekutým heliem na teplotu blízkou absolutní nule). Toto konkrétní zařízení bylo vyvinutou přímo Googlem, má podobu ploché mřížky ze supravodiče s 54 „uzly“, tedy qubity. Ano, skutečně 54 uzly – jeden qubit byl vadný a pracovat se dalo tedy jen s 53. Jak vidno, kvantové počítače stále nejsou zrovna nejspolehlivější zařízení.
Schématické znázornění čipu Sycamore: 54 qubitů (šedé křížky) pospojovaných spojovníky (modré obdélníky). V horní řadě zhruba uprostřed je prázdným křížkem zobrazen i onen vadný qubit.
Nejméně zajímavý na celé zprávě je snad samotný problém, na kterém Google „kvantovou dominanci“ ukázal. Byl pouze pečlivě vybraný proto, aby na něm kvantový počítač mohl dokázat svou převahu, napsal v časopise Quanta Magazine John Preskill z Kalifornského technologického ústavu, autor termínu „kvantová dominance“, a dodal: „Jinak to není problém, který by z praktického hlediska byl nějak zajímavý.“
Velmi zjednodušeně řečeno počítač provedl náhodně vybranou sadu instrukcí, a pak vědci změřili výsledek. Výpočet nemá žádnou zjevnou aplikaci a slouží především jako důkaz toho, že tým „ovládl“ kvantový hardware natolik, aby relativně spolehlivě zvládal některé výpočty, na které klasické počítače prostě nestačí.
„Tým Googlu ukázal, že dnes můžeme postavit kvantový stroj, který je dost veliký a přesný na to, aby vyřešil problém, který jsme předtím vyřešit nedokázali,“ napsal Preskill v článku.
IBM vrací úder
Podle Google byl rozdíl mezi výsledky kvantového a klasického počítače skutečně nebezpečný. Kvantový Sycamore si s výpočtem poradil zhruba za dvě stě sekund, nejrychlejší počítače dneška by stejný problém řešily zhruba deset tisíc let.
Ovšem mezi únikem článku a jeho vydáním se do věci vložil tým společnosti IBM. Dne 21. října, ještě před oficiálním vydáním práce svého konkurenta v časopise Nature, vydal tým z IBM odbornou práci a text na firemním blogu, podle kterých se Google velmi výrazně přepočítal. Nejsilnější počítač světa by podle nich danou úlohu spočítal výrazně rychleji – za pár dní místo deseti tisíc let.
IBM má mysli jeden konkrétní počítač, a to Summit v Oak Ridge National Lab, který je v současnosti nejsilnějším počítačem na světě (cca 200 petaflopů) a který – což je v tomto případě extrémně důležité – má také úložiště o velikosti 250 petabytů. Do takového úložiště se (zjednodušeně řečeno) vejde úplný výpis všech možných stavů kvantového 53bitového čipu Sycamore, který Google použil. Díky tomu může pracovat rychleji, než předpokládala simulace.
Proto IBM odhaduje, že výpočet by nejrychlejšímu klasickému počítači dneška netrval deset tisíc let, ale zhruba dva a půl dne. A to je podle ní nejhorší možný výsledek, ve skutečnosti by měl být rychlejší. Je to totiž zatím pouze odhad. Výpočet ještě neprovedl, byť tým IBM prý software pro zkoušku připravil – ovšem v rozvrhu Summitu na něj ještě nebyla volná chvíle. Mimochodem, jak poznamenává Scott Arronson, pokud se na počítači uvolní termín, tým Googlu bude nepochybně nadšený – ve své práci totiž vůbec nepočítal s tím, že by mohl své výpočty přímo ověřit, tedy ověřit skutečně provedením výpočtu. Jejich vlastní odhady vycházely ze simulací a ověřování na malém vzorku z výpočtu.
Odborníci, kteří situaci komentují, se celkem jednoznačně shodují, že návrh IBM se zdá být zcela racionální a prakticky realizovatelný. Tým Googlu podle všeho přehlédl ze zpětného pohledu poměrně zjevné alternativní řešení. Otázkou je, zda to na situaci něco mění. Zřejmě ne, kvantová dominance se minimálně v případě tohoto typu úloh zdá být nevyhnutelná.
Proč? Jak jsme popsali, čip Sycamore pracuje s 53 qubity a jeho simulace se s malou rezervou „vejde“ do 250 petabytů úložiště superpočítače Summit. Ale výkony kvantového počítače nerostou lineárně. To znamená, že kdyby měl Sycamore třeba 55 qubitů, už by se toto řešení použít nedalo – simulace by se do diskového pole nevešla. A kdyby quibitů bylo 60, bylo by zapotřebí zhruba 33krát víc úložného prostoru. Zdá se, že jsme opravdu zhruba v oblasti, kde kvantové počítače klasickým začínají odskakovat příliš rychle.
Na druhou stranu, případ ukazuje, že klasické počítače určitě neřekly poslední slovo. Řada lidí a týmů možná teď bude intenzivněji přemýšlet nad algoritmy, které by stejnou úlohu mohly vyřešit elegantněji a rychleji i na klasickém výpočetním stroji – a možná uspějí. Ale výhoda kvantové technologie se zdá být tak veliká, že v časovém horizontu příštích let a desetiletí s nimi někdo jiný těžko bude držet krok.
Dodejme, že skeptici se najdou. Zájemci se mohou podívat třeba na blog v posledních dnech velmi aktivního matematika Gil Kalaiho, který možnost kvantové dominance dlouhodobě zpochybňuje a velmi usilovně (byť zatím spíše neúspěšně) hledá chyby i v nově vydané práci týmu z firmy Google.
Druhý nápad pana Shora
Stroj Googlu také nijak neřešil velký problém kvantových počítačů. Tím je jejich chybovost. Dnešní qubity jsou velmi citlivé a snadno je můžou ovlivnit vnější vlivy. A jakmile se chyba v kvantovém výpočtu objeví, musí se rychle odstranit, protože stejně jako výpočetní výkon roste i její vliv na výpočet, a ten se pak může brzy zhroutit. Zatím se zdá, že tento problém nepůjde nikdy zcela odstranit.
Jde totiž o důsledek kvantového provázání qubitů s okolím. Mají tu nepříjemnou vlastnost, že příležitostně „navazují“ podobné vztahy se svým okolím jako mezi sebou. Do kvantového výpočtu se tak zcela nevyhnutelně dostávají chyby, kterým v podstatě z povahy věci nejde zabránit. U klasické techniky jste si sice také museli dávat pozor, abyste nepoložili na disk magnet nebo si neodložili disketu na reproduktor, ale jinak jste si mohli být jisti, že vaše data jsou před okolním světem víceméně v bezpečí a nebudou se jen tak sama od sebe měnit. (Klasickou logickou jedničku dělí od nuly rozdíl napětí ve výši pěti Voltů, což je za běžných okolností těžko překonatelný práh.) Kvantový systém je mnohem „křehčí“, protože prostě nevíme, jak ho úplně oddělit od okolí. Kvantové zdi stavět neumíme.
Přesto dnes existuje řešení, které se obecně považuje za realizovatelné, byť bohužel (výpočetně) nákladné. Navrhl ho již známý Peter Shor, který může za to, že po kvantových počítačích tak touží všichni kryptografové. Přišel s návrhem způsobu, jak kvantový algoritmus korigovat podle průběžně ukládané zálohy. Na pohled je to přirozené řešení: proč si prostě neudělat kopii, že? To snad napadne každého...
V kvantovém světě je však bohužel něco takového nemožné. Když chcete udělat kopii, musíte si přečíst originál. A pokud si přesně „přečtete“ kvantový algoritmus, ten se vám zhroutí. Shor a celá řada vědců po něm nakonec vypilovali poměrně rafinovaný systém, který umožní udělat zálohu původního výpočtu do dalších qubitů v systému, aniž by ten původní byl poškozený. Funguje dokonce i v některých experimentech (viz například tato práci), ovšem zatím pouze malých.
Zatím nikdy se fungující průběžnou zálohu nepodařilo ukázat na systému podobné velikosti, jaký použil Google pro svůj důkaz kvantové dominance. Tedy na počítači, který má 50 či víc qubitů. Důvod je, že pro dosažení požadované úrovně spolehlivosti ochrany proti chybám by bylo zapotřebí několikanásobně většího počtu „kontrolních“ quibitů. A těch dnes nemá nikdo nazbyt.
U případných budoucích větších počítačů pak bude problém ještě výraznější. Například na prolomení nějaké významnější části dnešních šifer budete potřebovat počítač schopný pracovat s řádově tisícovkami qubitů. Ale pokud by měl být výpočet chráněný proti výskytu chyb vznikajících při spontánním provázáním qubitů s okolím, tak podle odborníků budou zapotřebí řádově miliony dalších „kontrolních“ qubitů. A něco takového si lze s dnešní úrovní techniky těžko představit.
