Kvantový počítač (VŠE, CO CHCETE VĚDĚT)
Kvantový počítač je pojem, který se v dějinách počítačů vyskytuje již desítky let, a přesto je pro většinu z nás stále velkou neznámou. Co to tedy onen kvantový počítač vlastně je? Jak můžeme využít fenomény kvantové fyziky k tomu, abychom rychle počítali a řešili jinak extrémně složité problémy? Nejen to se dozvíte v našem článku!
i
Aktualizace 31. 10. 2019: Google hlásí, že dostáhl kvantové nadřazenosti
Kvantový počítač (VŠE, CO CHCETE VĚDĚT) – OBSAH
- Kvantové počítače přinášejí dosud nepředstavitelné možnosti
- Jak funguje kvantový počítač?
- Trable s kvantovými výpočty a jejich řešení
- Uplatnění a praktický přínos kvantového počítače
- Kvantový počítač vs. klasický počítač: základní rozdíly
- Aktuálně: kvantové počítače v roce 2019
- Budoucnost kvantových počítačů
Kvantové počítače přinášejí dosud nepředstavitelné možnosti
Základním principem kvantových výpočtů je to, že kvantové vlastnosti částic jsou využity pro reprezentaci a strukturu dat a kvantové jevy pak slouží k výkonu operací s těmito daty. Klíčovou vlastností elementárních částic, na níž je teorie kvantových výpočtů postavena, je kvantová koherence.
Pouhých 1 000 částic může reprezentovat každé číslo od 1 do 21 000 (přibližně 10 300) a kvantový počítač by manipuloval všemi čísly současně. Třeba tak, že by zasahoval částice laserovými pulzy. Právě schopnost provádět paralelní výpočty dává kvantovému počítači jeho ohromnou rychlost oproti konvenčním strojům, které zpracovávají informace postupně, jednu po druhé.
Vzhledem k tomu, že žádná podobná vlastnost v prostředí vnímaném lidskými smysly neexistuje, je obtížné si ji nějak představit. Vůbec celá kvantová fyzika je z hlediska lidského chápání plná zvláštností a paradoxů. V důsledku se však jedná o to, že malý počet částic, např. elektronů, dokáže nést nepředstavitelné množství informací.
Jak funguje kvantový počítač?
Každá částice představuje qubit [kju:bit], který je pro kvantové počítače základní informační jednotkou. Na rozdíl od bitu nezahrnuje jen 0 a 1, ale též všechny tzv. superpoziční stavy, tedy něco mezi 0 a 1 (viz obrázek). Po dokončení výpočtu se však superpozice zruší a každý qubit zkolabuje k 0 nebo 1 – podle toho, ke které mezní hodnotě měla jeho superpozice blíž (viz obrázek).
Tato skupina nul a jedniček je výsledek. Jediný. Označuje se jako výsledek s nejvyšší pravděpodobností. Slovo pravděpodobnost budí dojem, že kvantový počítač je tak rychlý díky tomu, že výsledky nepočítá, nýbrž pouze odhaduje. Je to ale dojem mylný. V kvantové mechanice není pravděpodobnost náhoda, ale pojem. A je dokonale počitatelná.
Trable s kvantovými výpočty a jejich řešení
Hlavní nutností pro realizaci kvantových výpočtů je udržet částice v superpozici, tedy zachovat koherenci. Jak ale zajistit koherenci navzdory působení všudypřítomného elektromagnetického pole a dalších vnějších vlivů? Asi dost těžko. Bude tudíž potřeba vyvinout spolehlivý opravný mechanismus.
i
Kvantový počítač: základní pojmy
Kvantová koherence – zabývá se myšlenkou, že všechny objekty mají vlastnosti podobné vlnám. V případě, že je vlnová povaha objektu rozdělena do dvou vln, mohou obě vlny vzájemně (koherentně) interagovat tak, že vytvoří jediný stav, který bude superpozicí jejich dvou stavů.
Kvantová superpozice – tvoří základní princip kvantové mechaniky. Uvádí, že libovolné dva či více kvantových stavů lze sčítat, čímž vznikne nový, platný kvantový stav.
Kvantová provázanost – jedná se o fyzikální jev, ke kterému dochází, když jsou skupiny částic generovány, interagují nebo sdílejí prostorovou blízkost tak, že kvantový stav každé jedné částice nemůže být popsán nezávisle na stavu ostatních částic.
Ten zřejmě bude vycházet z další úžasné vlastnosti elementárních částic – kvantové provázanosti (entanglementu), která v budoucnu může způsobit revoluci v telekomunikační technice: zprávy by se už nevysílaly, ale teleportovaly. Nicméně v kvantových počítačích mají vzájemně provázané qubity duplikovat informace. Porovnáním vzájemně provázaných qubitů může počítačový algoritmus odhalit chybu a provést korekci. Mimochodem, dvoušroubovice DNA též uchovává genetickou informaci ve dvou kopiích, každý gen tak má svou „zálohu“. Velkým problémem je samotné měření.
Ve světě subatomárních částic nelze jen tak něco nezávisle změřit, aniž by došlo k nežádoucí interakci, která by způsobila změnu stavu částic. Dlouho tedy panovalo přesvědčení, že dokud kvantový počítač nedokončí výpočet, nebude možné průběžně sledovat, „jak to vypadá“. Vědcům se ale podařilo najít metody, které to umožňují.
Uplatnění a praktický přínos kvantového počítače
Přínos kvantového počítače není dosud zcela jasný. Podle současných předpokladů by dosáhl dramatického urychlení u několika málo úloh, např. u prolamování kryptografických kódů. U ostatních úloh by však trpěl stejnými omezeními jako konvenční počítače. Jak je možné, že kvantový počítač urychlí jen některé úlohy? Není rychlejší počítač prostě rychlejší počítač?
Odpověď zní ne a vysvětlení souvisí se zpracováním úloh. Podstatné je totiž to, jak rychle s růstem úlohy vzrůstá čas potřebný k jejímu vyřešení. Tato doba se měří počtem základních kroků, které algoritmus potřebuje k dosažení výsledku. Například dvě n-ciferná čísla lze násobit za čas, který roste s druhou mocninou počtu číslic v číslech.
i
Kvantové počítače a dopad na současnou kryptografii
Moderní kryptografie nachází v oblasti počítačů masivní využití. Základním předpokladem pro její fungování je ale skutečnost, že současné počítače nezvládají v rozumném čase provádět operace, které by různá šifrování prolomily. Naopak kvantové počítače disponují prostředky, které mohou celou kryptografii a s ní například i fenomén internetu či kryptoměn doslova položit na lopatky. Přestože je tato doba pravděpodobně ještě dosti vzdálená, není radno sílu kvantových počítačů podceňovat.
Problémem jsou tzv. polynomické úlohy, např. případ obchodního cestujícího, který hledá nejkratší trasu mezi všemi městy nebo se snaží vměstnat do svého kufříku krabičky různých rozměrů tak, aby se mu tam všechny vešly. Ačkoliv pro tyto úlohy existují algoritmy o něco lepší než zkoušení každé možné varianty, není znám žádný algoritmus, který by byl podstatně rychlejší. Pro kvantový počítač jsou ale polynomické úlohy naprosto ideální, neboť, jak bylo vysvětleno na začátku, dokáže počítat všechno najednou.
Kvantový počítač vs. klasický počítač: základní rozdíly
V následující bodech jsme shrnuli několik základních rozdílů mezi klasickým počítačem a počítačem kvantovým.
- Klasické počítače používají bity ve formě tranzistorů, které nabývají hodnot 1 nebo 0. Kvantové počítače používají Qubity (proton, elektron), které mohou nabývat hodnot 1, 0 nebo současně obou hodnot v takzvaném stavu superpozice.
- Kvantové počítače jsou díky vlastnostem kvantové mechaniky schopny některé problémy počítat mnohem rychleji než klasické počítače (např. kryptografické problémy).
- Klasické počítače mohou na rozdíl od kvantových libovolně kopírovat data.
- Klasické počítače pracují ve své podstatě bez chyb. Kvantové počítače mohou při výpočtech nebo provádění operací chybovat, a je proto nutné neustále kontrolovat správnost prováděných operací.
Aktuálně: kvantové počítače v roce 2019
Poslední pokus o vytvoření komerčního kvantového počítače má na svědomí americký gigant IBM. Produkt s označením IBM Q System One byl představen na letošním veletrhu CES 2019 a nutno říct, že dokonce i na poměry „šíleného“ CES se jedná o netradiční novinku. Kromě kvantové výpočetní síly ohromil Q System One zejména futuristickým designem. Jak ale přiznává i sama společnost IBM, jejich produkt je samozřejmě nedokonalý a poukazuje na limity současných technologií kvantového počítače. Za zmínku pak stojí také historicky první kvantové počítače určené k prodeji, které v roce 2017 představila společnost D-Wave. Tyto počítače našly praktické využití například ve společnosti Google.
Google hlásí, že dostáhl kvantové nadřazenosti
Vše nasvědčuje tomu, že nová éra počítačů je již doslova za dveřmi. Společnost Google totiž ve středu 23. října prostřednictvím časopisu Nature oznámila, že její kvantový počítač Sycamore dosáhl takzvané „kvantové nadřazenosti“. Jinými slovy, zvládl za pouhých 200 vteřin vyřešit extrémně obtížný problém, který by žádný současný počítač v rozumném čase nevyřešil. V tomto konkrétním případě se jednalo o problém náhodného vzorkování, kdy počítač ověřuje, zda je množina čísel náhodně distribuována.
Součástí zprávy byla také mírná provokace směrem k IBM, když Google zdůraznil, že i aktuálně nejvýkonnějšímu superpočítači na světe IBM Summit by tento úkol zabral zhruba 10 000 let. Společnost IBM se proti tomuto tvrzení velice rychle ohradila s tím, že Google podává nepřesné informace a jejich počítač problém řeší za „pouhého“ dva a půl dne. Ať už je ale realita jakákoliv, jedná se bezesporu o obrovský milník v oblasti výpočetních technologií. Google pomalu ale jistě shromažďuje důkazy, které nás dost možná utvrdí v tom, že budoucnost s užitečnými kvantovými počítači je možná, a ne příliš vzdálená.
Budoucnost kvantových počítačů
Kvantový počítač určitě nepřevrátí svět naruby, jeho zavedení do praxe však způsobí řadu zásadních změn. Dnešní kryptografické kódy používané při peněžních transakcích na internetu se stanou nepoužitelnými, protože kvantové počítače by je louskaly jako ořechy.
1. Android Jak se od sebe liší jednotlivé verze?
2. AI – Umělá inteligence Vše, co chcete vědět!
3. Jak obnovit data z poškozené SD karty?
4. Jak bezpečně smazat data z vašeho mobilního zařízení?
5. Jak sestavit počítač v 8 krocích?
6. Kryptoměny (NOVINKY a ZPRÁVY)
Radikální proměnou nepochybně projdou datová centra, kde kvantové počítače zajistí bleskové prohledávání záznamů, hlavně v netříděných databázích. Další postup miniaturizace integrovaných obvodů naráží na fyzikální zákony, a posun technologií na subatomární úroveň se tak jeví jako nevyhnutelný. Ovládnutí kvantové mechaniky však nebude ani rychlé, ani snadné.
