Kvantový počítač (VŠE, CO CHCETE VĚDĚT)
Kvantový počítač je pojem, který již dlouho rezonuje světem technologií a slibuje revoluci v mnoha oblastech. I když se o něm hovoří již desítky let, pro mnoho z nás stále zůstává záhadou. Co to vlastně kvantový počítač je a jak se liší od těch klasických, které denně používáme? Co je to qubit nebo kvantová interference?
Zatímco klasické počítače pracují s bity, které mohou nabývat pouze hodnot 0 nebo 1, kvantové počítače využívají qubity. Qubity fungují na principech kvantové mechaniky a dokážou se nacházet v superpozici, což je stav, kdy jsou zároveň ve stavu nula i jedna. Díky této neurčitosti a dalším kvantovým jevům, jako je provázání a interference, dokážou kvantové počítače zpracovávat informace mnohem efektivněji a řešit problémy, které jsou pro klasické počítače neřešitelné.
Pokud vás zmíněná cizí slova trochu vyděsila, žádný strach, po přečtení tohoto článku jim budete zcela rozumět. Dozvíte se více o fungování kvantových počítačů, jejich typech, využití a také o výzvách, které s sebou tato fascinující technologie přináší.
Co je kvantový počítač – OBSAH
- Jak funguje kvantový počítač?
- Typy qubitů a klíčoví hráči ve vývoji kvantových počítačů
- Kvantová nadvláda: Když počítače překonají samy sebe
- Kvantový počítač a jeho využití: Revoluce v mnoha odvětvích
- Výzvy a omezení kvantových počítačů
Jak funguje kvantový počítač?
Fungování kvantových počítačů se může zdát na první pohled jako magie, ale ve skutečnosti je založeno na principech kvantové mechaniky, což je oblast fyziky, která se zabývá chováním hmoty a energie na atomární a subatomární úrovni. Zde se dějí věci jinak, než jak jsme zvyklí z našeho makrosvěta.
Jak jsme již naznačili, základním stavebním kamenem kvantového počítače je qubit. Zatímco klasický bit může nabývat pouze hodnot 0 nebo 1, qubit může být v superpozici obou stavů současně. Představte si ho jako minci, která se točí ve vzduchu. Dokud nespadne na zem, je „zároveň“ panna i orel a qubity tuto neurčitost stavu využívají k paralelnímu zpracování informací.
Dalším důležitým jevem je kvantové provázání. Dva nebo více qubitů mohou být propojené tak, že změna stavu jednoho qubitu okamžitě ovlivní stav ostatních, a to i na velkou vzdálenost. Je to, jako by dva tanečníci byli neviditelně spojeni a každý pohyb jednoho okamžitě ovlivnil pohyb druhého. Kvantové provázání umožňuje kvantovým počítačům provádět složité výpočty mnohem efektivněji.
A konečně kvantová interference. Tento jev je trochu abstraktnější, ale představte si ho jako skládání vln. Když se setkají dvě vlny na vodě, můžou se buď zesílit (když se „sejdou“ hřebeny vln), nebo se naopak vyrušit (když se setká hřeben s dolíkem). Podobně se chovají i kvantové stavy. Díky interferenci můžou kvantové počítače „zesílit“ stavy, které vedou ke správnému výsledku, a „vyrušit“ stavy, které jsou nesprávné. To jim umožňuje „filtrovat“ správné odpovědi z mnoha možností a dosahovat tak exponenciálního zrychlení v porovnání s klasickými počítači.
Například, pokud hledáme v databázi konkrétní záznam, kvantový počítač díky interferenci „zesílí“ stav, který odpovídá hledanému záznamu, a „vyruší“ ostatní stavy. Tím se výrazně zvýší pravděpodobnost, že při měření výsledku dostaneme správnou odpověď.
Typy qubitů a klíčoví hráči ve vývoji kvantových počítačů
Kvantové počítače se liší podle typu qubitů, které využívají. Qubity mohou být implementovány různými způsoby, každý s vlastními výhodami a nevýhodami. V současnosti se intenzivně vyvíjejí všechny typy a na trhu se objevují první modely dostupné pro výzkumné instituce a velké společnosti.
Typy qubitů:
Supravodivé qubity
Tyto qubity jsou vyrobeny z malých supravodivých obvodů. Supravodivé materiály vedou elektrický proud bez odporu při velmi nízkých teplotách. Supravodivé qubity jsou v současnosti nejrozšířenější a vyvíjejí je například společnosti IBM a Google.
Iontové qubity
Tyto qubity jsou tvořeny z jednotlivých iontů (atomů s elektrickým nábojem) zachycených v elektromagnetickém poli, tzv. iontové pasti. Iontové qubity mají delší dobu koherence (tj. déle si „pamatují“ svůj kvantový stav) než supravodivé qubity, ale jejich výroba a ovládání je náročnější. Iontové qubity vyvíjí například společnost IonQ.
Fotonické qubity
Tyto qubity jsou založeny na fotonech, tedy částicích světla. Fotonické qubity mají potenciál být velmi rychlé a efektivní, ale jejich vývoj je zatím v raném stádiu. Fotonické qubity vyvíjí například společnost Xanadu.
Další typy qubitů
Kromě těchto tří typů se vyvíjejí i další typy qubitů, jako například qubity z neutrálních atomů nebo topologické qubity.
Mezi klíčové hráče v této nově vznikající oblasti trhu patří:
IBM
Firma IBM je jedním z lídrů ve vývoji supravodivých kvantových počítačů. V roce 2022 představili 433-qubitový procesor Osprey a v listopadu 2023 oznámili dosažení milníku 1000 qubitů ve svém procesoru Condor. IBM také nabízí přístup ke svým kvantovým počítačům prostřednictvím cloudové platformy IBM Quantum Experience.
Google se také zaměřuje na supravodivé qubity. V roce 2019 použili 53-qubitový procesor Sycamore k demonstraci údajné kvantové nadvlády. V roce 2022 představili nový procesor Bristlecone s 72 qubity.
IonQ
Společnost IonQ vyvíjí kvantové počítače založené na iontových pastech. V roce 2022 spustili 32-qubitový systém Aria s vysokou konektivitou a nízkou chybovostí. IonQ tvrdí, že jejich iontové qubity jsou stabilnější a přesnější než supravodivé qubity.
Rigetti
Jde o další společnost, která vyvíjí supravodivé kvantové počítače. V roce 2024 zpřístupnili 84-qubitový procesor Ankaa-2. Rigetti se zaměřuje na vytváření kvantových počítačů pro komerční účely a nabízí cloudový přístup ke svým systémům.
Quantinuum
Tahle společnost vznikla v roce 2021 fúzí Honeywell Quantum Solutions a Cambridge Quantum. Vyvíjejí iontové kvantové počítače a zaměřují se na využití kvantových počítačů v chemii a materiálových vědách.
Xanadu
Firma Xanadu vyvíjí fotonické kvantové počítače. V roce 2022 uvedli na trh programovatelný fotonický procesor Borealis. Xanadu tvrdí, že fotonické qubity jsou vhodné pro simulaci komplexních fyzikálních systémů.
Kvantová nadvláda: Když počítače překonají samy sebe
Kvantová nadvláda, také známá jako kvantová výhoda, je milníkem ve vývoji kvantových počítačů. Označuje bod, kdy kvantový počítač dokáže vyřešit problém, který je pro klasické počítače prakticky neřešitelný.
V roce 2019 Google oznámil dosažení kvantové nadvlády se svým 53-qubitovým procesorem Sycamore v již zmíněném experimentu. Jeho výsledek byl však zpochybněn jinými vědci, kteří tvrdili, že klasické algoritmy by mohly problém vyřešit efektivněji. Podobně v roce 2020 čínští vědci oznámili dosažení kvantové nadvlády s fotonickým kvantovým počítačem Jiuzhang, což také vyvolalo diskuze o tom, zda jde o skutečný důkaz kvantové nadvlády.
Navzdory těmto sporům dosažení kvantové nadvlády představuje důležitý krok ve vývoji kvantových počítačů. Vědci jsou přesvědčeni, že kvantové počítače mají potenciál překonat své klasické rivaly v některých specifických úlohách. I když aktuálně jsou spíše jejich doplňkem neboli výpočetní jednotkou. Klasické počítače se využívají na přípravu a interpretaci informací pro ty kvantové, a proto se také někdy používá označení „kvantový procesor“, vzhledem k tomu, že bez běžných počítačů zatím nejde o docela samostatné zařízení.
V současnosti se vědci snaží najít další problémy, na kterých by se dala kvantová nadvláda prokázat, a zároveň vyvíjejí nové algoritmy a technologie pro výkonnější kvantové počítače, které by mohly pracovat samostatněji.
Dosažení kvantové nadvlády ale neznamená, že kvantové počítače jsou už teď prakticky použitelné na řešení všech problémů. Stále je před námi dlouhá cesta vývoje, než se kvantové počítače stanou běžně dostupné a použitelné pro širokou veřejnost.
Kvantový počítač a jeho využití: Revoluce v mnoha odvětvích
Kvantové počítače mají potenciál přinést revoluci v mnoha oblastech. V medicíně by mohly umožnit objevování nových léků, vývoj nových diagnostických metod a personalizovanou medicínu. Představte si svět, kde lékaři dokážou navrhovat léky vytvořené na míru pro každého pacienta.
V materiálových vědách by kvantové počítače mohly pomoci při vývoji nových materiálů s vylepšenými vlastnostmi, například supravodičů, které by znamenaly revoluci v energetice. Ve finančnictví by mohly optimalizovat investiční portfolia, lépe řídit rizika a detekovat podvody
V oblasti umělé inteligence mohou urychlit strojové učení a umožnit vytvoření sofistikovanějších algoritmů. A v kryptografii mohou tato zařízení hrát klíčovou úlohu při prolomení současných kryptografických metod, ale i při vývoji nových, bezpečnějších kryptografických systémů.
Výzvy a omezení kvantových počítačů
I když kvantové počítače představují obrovské zlepšení v mnoha oblastech, je důležité si uvědomit, že jejich vývoj a využívání je spojeno s mnoha výzvami a omezeními. Mezi nejvýznamnější patří:
- Cena: V současnosti jsou velmi drahé a jejich výroba a údržba si vyžaduje značné investice.
- Škálovatelnost: Zvyšování počtu qubitů a udržování jejich stability je velmi náročné. S jejich rostoucím počtem se zvyšuje i pravděpodobnost chyb a ztráta kvantové koherence.
- Chybovost: Qubity jsou velmi citlivé na rušení z okolního prostředí, což může vést ke chybám ve výpočtech. Vědci vyvíjejí různé metody korekce chyb, ale tyto metody jsou zatím nevyhnutelně náročné na implementaci.
- Vývoj softwaru: Programování pro kvantové počítače je složitější a vyžaduje nové algoritmy a programovací jazyky. V současnosti je k dispozici jen omezený počet kvantových algoritmů a nástrojů pro vývoj softwaru.
Navzdory výzvám se oblast kvantových počítačů rychle rozvíjí. Vědci a inženýři neustále pracují na zlepšování technologií a překonávání omezení. Očekává se, že v nejbližších letech se kvantové počítače stanou dostupnější a použitelnější pro širší veřejnost. Může to ale být 5 stejně jako 30 let. Jde o fascinující technologii s obrovským potenciálem a relativně pomalým zlepšováním. I když jsou tyto přístroje stále v raném stádiu vývoje, postupně již přinášejí změny v mnoha oblastech. S napětím očekáváme, jaké přelomové objevy a aplikace přinesou v budoucnosti.
Napsali jsme dříve
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
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.
Alzaboxy i prodejny
S výkupním bonusem
41 490,-
