Jak jsme se ke kvantovým počítačům vlastně dostali?

Richard Feynman - otec myšlenky kvantových počítačů

Duchovním otcem kvantových počítačů je extravagantní fyzik a skvělý učitel Richard Feynman (1918-1988). Feynman se podílel na Projektu Manhattan, programu vývoje atomové bomby, a je laureátem Nobelovy ceny za fyziku za práci na kvantové elektrodynamice.

Známý je také tím, že byl docela číslo: Během Projektu Manhattan otevíral kolegům sejfy, měl spoustu afér se studentkami, pilotoval vlastní letadlo a na konci svého života se podílel na vyšetřování havárie raketoplánu Challenger takovým stylem, že ho kolegové z vyšetřovací komise označovali jako „osinu v p*deli“ (pain in the ass). O tom také pojednává výborný televizní film „The Challenger Disaster“ z roku 1996.

Feynmanova metoda a postoj k vědě

Feynman se hodně zabýval dalšími obory, které ho zaujaly, a přednášel o nich. Známá je například Feynmanova metoda studia, která funguje tak, že střídáte studium s tím, že píšete články, které studované téma popisují, a připravujete si vlastní přednášky, které vyslovujete nahlas. To vám dovolí poznat, která témata doopravdy chápete – a pokud něco zcela nechápete, prostě se vrátíte ke studiu a zaměříte se na svá slabá místa.

Feynman se zabýval primárně fyzikou, ale čas od času zabrousil do cizích oborů, ze kterých si často po sheldonovsku utahoval, že nejsou příliš chytré. Tak například když popisoval principy funkce klasických počítačů, označoval jejich instrukce „za primitivní a hloupé“ – a to, že klasické počítače vůbec něco dělají, bylo podle něj dáno tím, že „tyhle hlouposti umí dělat opravdu rychle“. Feynman je známý také tím, že na přednášce v Bell Labs v roce 1985 prohlásil, že „nevěří v počítačovou vědu, protože věda se zabývá studiem přírodních zákonů, zatímco počítače stavíme a jde tedy o inženýrský obor“.

Cesta ke kvantovým počítačům

Omezenost tradičních počítačů ho vedla k tomu, že se věnoval úvahám, jak je zlepšit. Právě to ho přivedlo k myšlence kvantových počítačů, i když jeho motivace nebyla stejná, jakou dnes vidíme u moderních projektů - zajímala ho hlavně fyzika a její simulace. Svou klíčovou přednášku týkající se konceptu kvantových počítačů přednesl na Caltechu (California Institute of Technology) v roce 1982. Text přepisu přednášky „Simulating physics with computer“ si můžete stáhnout zdarma například zde: Simulating Physics with Computers.

Přednáška pojednává o tom, že pro klasické počítače je velice složité simulovat kvantové jevy – a podle Feynmana je velmi důležité, abychom dokázali simulovat přírodu na kvantové úrovni. Podle něj je jedinou efektivní cestou, jak tento problém vyřešit, použít sílu kvantové fyziky pro simulaci kvantové fyziky, protože velké kvantové systémy mají příliš mnoho proměnných a vzájemných vztahů, než aby se daly efektivně simulovat na konvenčních počítačích.

Ve své přednášce se ptá, jestli je možné vytvořit třídu vzájemně výpočetně ekvivalentních kvantových strojů, podobně jako můžeme klasické počítače definovat jako Turing-kompletní (tedy pokud můžeme vyřešit problém na jednom z nich, můžeme ho vyřešit na každém z nich). Zabývá se otázkou základních kvantových operátorů a diskutuje možné způsoby, jak s nimi pracovat – přitom ale sám nenavrhuje žádnou konkrétní implementaci kvantového počítače.

Od teoretického konceptu k praktickým aplikacím

V podstatě se dá říct, že Feynman pouze nadhodil otázku simulace kvantových jevů a naznačil, jak by se s nimi dalo pracovat v dosud neexistujících kvantových počítačích. Tato otázka nezapadla, zabýval se jí britský fyzik David Deutsch, který v roce 1985 publikoval článek „Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer“. Ten je ke stažení například zde: Quantum Theory.

Ve článku rozebírá takzvaný Church-Turing-Deutschův princip, který říká, že je možné vytvořit univerzální kvantový výpočetní stroj, který dokáže simulovat libovolný fyzikální proces, zatímco klasický Turingův stroj to nedokáže, protože je omezený pouze na počítačová nebo algoritmicky vyjadřitelná čísla (computable reals). Ani zde nešlo o návrh konkrétního kvantového počítače, byl to teoreticky pojatý článek, který zaujal pouze odborníky.

Shorův algoritmus a závody o kvantovou převahu

Ten skutečný zlom přišel v roce 1994, kdy matematik Peter Shor ukázal, že kvantové počítače mohou teoreticky efektivně rozkládat (faktorovat) velká čísla, tedy hledat jejich prvočíselné dělitele, což může ohrozit základy veškeré moderní kryptografie. Od toho okamžiku se ukázala jasná výhoda pro ty, kteří kvantové počítače vyrobí – a začala opravdová soutěž o postavení skutečného kvantového počítače. Toho se ovšem Richard Feynman nedožil, zemřel na rakovinu v roce 1988.