Přichází „kvantová zima“?

Přichází „kvantová zima“? – OBSAH

1. Kvantový bit neboli qubit
2. Design kvantových PC je mimořádně složitý úkol
3. I software pro kvantové počítače bude problém

Kvantový bit neboli qubit

Podle Hossenfelderové není problém v samotném principu kvantových výpočtů, ale v tom, že je velmi těžké vytvořit stroje s velkým množstvím qubitů a jejich udržením v kontrolovaném stavu. Qubit je podobnou základní jednotkou informace jako bit, zatímco bit ale může nabývat jen jeden ze dvou stavů, qubit může reprezentovat také jejich mezistavy. Výpočty s qubity s pomocí kvantových hradel jsou teoreticky plně reverzibilní, v praxi je ale těžké kvantové stavy udržet a poměrně rychle se rozpadají.

Kritika Hossenfelderové se soustřeďuje do několika oblastí. Za prvé je tu problém s teplem, protože i když existuje více způsobů, jak realizovat fyzicky qubity, v praxi žádají provozní teploty blízké absolutní termodynamické nule – dokonce nižší, než je teplota vesmírného prostoru. Takovou teplotu je velmi složité a velmi energeticky náročné vytvořit, vyžaduje to chlazení průmyslového rozsahu.

Za druhé, i v takovém stavu jsou qubity nesmírně citlivé na jakékoliv rušení, které je může ovlivňovat, takže kvantová zařízení vyžadují specializované a dokonale izolované konstrukce. Současné kvantové počítače mají daleko třeba ke smartphonům, které můžete používat i během chůze – i pouhé mechanické vibrace by značně zkomplikovaly jejich funkčnost.

Design kvantových PC je mimořádně složitý úkol

Třetím závažným problémem je spontánní dekoherence (ztráta původního stavu, která narůstá s časem) a rušení sousedních qubitů (crosstalk), který způsobuje, že je velmi těžké chránit systém před vznikem chyb. Dnes jsou známé metody, jak chyby detekovat a opravovat, ale ty vyžadují další kontrolní qubity, čímž se konstrukce komplikuje. Různé principy stavby kvantových počítačů vedou k delším či kratším časům, kdy ke spontánní dekoherenci dojde, ale dojde k ní vždy a s tímto efektem je třeba počítat.

Čtvrtým problémem je stavba velkého počítače, který by dokázal řešit opravdu komplexní problémy. V listopadu 2022 demonstrovala firma IBM kvantový počítač IBM Osprey se 433 qubity, ale podle Hossenfelderové je pro řešení praktických problémů potřeba systém se 100 000 až 10 000 000 qubity. Skutečný počítač musí mít nejen dostatek qubitů, ale také je musí dostatečně dobře kontrolovat. Dnes se uvažuje o „vysokošumových“ kvantových počítačích (High Noise Quantum Computing), které by dokázaly do jisté míry tolerovat existenci šumu a dopracovat se k reálným kvantovým počítačům touto cestou.

I software pro kvantové počítače bude problém

Poslední kritika se snáší na algoritmy. Seznam kvantových algoritmů není zatím nijak dlouhý s tím, že jen některé z nich mají praktické využití a z nich jen některé vykazují diametrálně lepší výkony nad klasickým počítačem. Postupný rozvoj technologie bude dál pokračovat, ale Hossenfelderová varuje před „splasknutím bubliny“, kdy se do kvantových počítačů významně investovalo: Podle ní bude vývoj kvantových počítačů jen velmi postupný a jejich benefity jen omezené.

Ano, existují oblasti, kde jsou kvantové počítače opravdu dobré, například umí významně rychleji faktorizovat velká čísla (tedy hledat prvočísla, jejichž vynásobením ono velké číslo vznikne). To se dělá pomocí Shorova algoritmu a nabízí to významné zrychlení lámání šifer založených na kombinaci veřejného a privátního klíče. Hossenfeldererová ale upozorňuje, že to se týká jen dnes používaných šifer, protože už delší dobu jsou známy a nyní začínají být implementovány šifry z tak zvané postkvantové kryptografie (Post-quantum Cryptography), které mohou používat i běžné počítače a na jejichž lámání jsou krátké jak klasické, tak i kvantové počítače.

Stále je šance, že dojde k nějakému technologickému průlomu, ale pokud se to nestane, může být význam kvantových počítačů limitován hlavně na výzkum a vývoj. Ale i kdyby uspěly, je jasné, že většinu klasických počítačů nenahradí. Klasické počítače jsou výkonné, spolehlivé, ověřené – a nevyžadují ke své funkci extrémní chlazení. 

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.