Richard Feynman, dvojnásobný držitel Nobelovy ceny, se kdysi vyjádřil: „Nejsem moc spokojený se všemi těmi analýzami opírajícími se jen o klasické teorie, protože příroda není klasická, sakra, a když chcete provést její simulaci měli byste raději použít kvantovou mechaniku…“
Quantum computing (QC) je technologie, která je sice stále ještě v experimentální fázi, ale od IBM už je k dispozici jako cloudová služba prakticky komukoliv. Dá se využít k experimentování, výuce, simulacím nebo testování. V rámci možností o ní dobře píše „tetička Wiki“. (Kdo tomu koneckonců skutečně rozumí, když jde stále ještě o základní výzkum?)
Kdy běžný výpočetní systém nestačí
Jeden z nejvýkonnějších klasických superpočítačů na světě, který je v Oak Ridge Laboratory Ministerstva energie Spojených států, je schopen provádět 200 kvadrilionů výpočtů za vteřinu. Je osazen 9 216 procesory IBM Power 9, 27 648 NVIDIA GPU a 250 PB datového úložného prostoru. Pracuje pod operačním systémem IBM Red Hat Enterprise Linux (RHEL) v 7.4.
Jakkoli se však klasické počítače staly sofistikovanými, existuje mnoho vědeckých a byznysových úloh, kde jsme se s takovými počítači sotva dotkli jejich povrchu. Mnoho desetiletí jsme zjednodušovali přírodu na jedničky a nuly, protože to byl jediný způsob, jak šlo zvládnout vytvořit užitečný a škálovatelný systém výpočtů. Budoucnost však nejsou jen jedničky a nuly. S kvantovými počítači lze doufat, že s nimi ve spojení s klasickými počítači budeme moci pohnout. Výpočetní úlohy z reálného světa ale také nevyžadují jen kvantové výpočty, spíše interakci mezi kvantovými a klasickými výpočetními zdroji. Celkový vysoce výkonný systém také vyžaduje pro všeobecné použití interakci s nízkým zpožděním.
Kvantové výpočty využívají základní myšlenky kvantové mechaniky. Se dvěma qubity dostáváme kombinaci jako a|00> + b|01> + c|10> + d|11>, kde |01 znamená, že první qubit je ve stavu |0> a druhý je ve stavu |1>, a, b, c, a d jsou komplexní čísla a |a|2 + |b|2 + |c|2 + |d|2 = 1. Pokud dvě z hodnot a, b, c, a d nejsou ve stavu nula, a my nemůžeme qubity oddělit, jsou provázány s perfektní korelací a nejsou už nijak nezávislé. Interference pak nám umožňuje zvýšit pravděpodobnost získání správné odpovědi a snížení šance na špatnou.
Pokud by byly klasické počítače tak výkonné, nebyli bychom snad schopni perfektně simulovat molekuly a chemické reakce? To by nám umožnilo urychlit výzkum nových sloučenin a procesů ve zdravotní léčbě, výzkumu materiálů, slitin a udržitelné výroby energie. Podívejme se na takový kofein… K vyjádření energetické konfigurace jediné molekuly kofeinu na jediném klasickém počítači bychom potřebovali přibližně 1048 bitů, což znamená jedničku a 48 nul. Takové vyjádření molekulární konfigurace kofeinu není na současných nejvýkonnějších superpočítačích není možné, avšak mohli bychom to provést s použitím 160 logických qubitů.
Kvantové výpočty mají přinést výhodu tam, kde mohou být výpočetní úlohy související s byznysem nebo vědou rychlejší a výhodnější, cenově dostupnější, nebo přesnější, než pouze s klasickými počítači.
Běžné úlohy pro “klasický” nám známý počítač von neumannovského typu, který pracuje sekvenčně, jako jsou sčítání, násobení (opakované sčítání, násobení posouváním bitů), dělení, odčítání a třídění (databázové operace), jsou však pro kvantový počítač velmi obtížné.
QC tedy rozhodně nenahradí klasické počítače, protože se hodí pro specifické účely a je vhodný pro exponenciální úlohy, například pro faktorizaci nebo dešifrování. Z tohoto důvodu je také vhodné propojení klasických a kvantových počítačů.
Cesta vývoje QC
Až doteď IBM uvedla více systémů – v roce 2012 to byl Falcon s 27 qubity, v roce 2020 systém Hummingbird s 65 qubity, v roce 2021 Eagle se 127 qubity, v roce 2022 Osprey s 433 qubity, dále Heron se 133 qubity a architekturou s konfigurovatelnými vazbami. V únoru 2024 má přijít systém Condor se 1 121 qubity a nové vývojové prostředí Qiskit. Qiskit je SDK, middleware/runtime, který uživatelům umožňuje stavět a kompilovat kvantové okruhy (youtube.com/Qiskit).
Firma pak má plán vývoje až do roku 2033, což v podstatě znamená, že už ví, jak pokračovat dál. Hodnota se dá vyjádřit jako výkon bez zádrhelů a schopnosti, výkon pak jako počet qubitů plus kvalita (důvěryhodnost výpočtu) a rychlost.
QC je pro IBM strategický směr, hodlá s ním přinést užitečné kvantové výpočty s důrazem na bezpečnost (neprolomitelnost šifer) – „quantum safe“. Za posledních pět let investovala cca 100 milionů dolarů do podpory otevřeného vzdělání ohledně kvantových výpočtů, poskytuje více než 500 kurzů na výuku nástrojů a zdrojů IBM Quantum, na akcích týkajících se IBM Quantum a Qiskit se podílelo na akcích studentských kampusech 21 tisíc studentů a více než šest milionů studentů dokončilo všechny vzdělávací platformy. Martin Švík, IBM: „Quantum Computing je strategickým směrem IBM. Pro komerční rozvoj a nasazení má smysl uvažovat u výkonu minimálně 100 qubitů a jsme moc rádi, že v rámci Evropského regionu spolupracujeme s klienty v Dánsku, Polsku a ČR na prvních pilotních projektech, které dokáží tuto kapacitu využít.“
Příklady využití QC
Tzv. use cases QC jsou diametrálně odlišné od klasických počítačů. Pro kvantový počítač jsou vhodné úlohy, které se dají roztřídit do několika skupin:
Simulace pomocí kvantových systémů, umělá inteligence, optimalizace a metoda Monte Carlo v teorii pravděpodobnosti.
Očekává se, že QC usnadní výzkum lepších materiálů pro baterie, odhalení defektů při výrobě, výzkum polovodičových materiálů, předvídání chemických vlastností, výzkum léků, předvídání struktury proteinů, předvídání rizik onemocnění, zrychlení diagnostiky, analýza genomů, návrhy chemických produktů, objevy katalyzátorů, optimalizace chemických procesů, klasifikace fyziky vysokých energií, klasifikace transakcí, doporučení materiálů, odhalení podvodů, analýza rizik, volba cen, odvozování cen, analýza investičních rizik, správa portfolia, nastavení transakcí, doporučení finančních nabídek, vyhodnocování kreditů a aktiv, plánování v aerolinkách, nepravidelné operace, optimalizace sítí, produktové portfolio, plánování optimalizace procesů, řízení kvality, směrování cest pro vozidla, dodávky surových materiálů, zemětřesení, správa narušení, plánování nákladů, optimalizace výroby, výrobní dodavatelské řetězce, dynamika tekutin a mnoho dalších…
Quantum Safe – bezpečnost a (de)šifrování
Co se týče odolnosti šifer, algoritmy jako RSA nebo ESC jsou ohrozitelné. Shorův algoritmus zvládá dešifrovat dnes používanou asymetrickou formu šifrování (kryptografie) s veřejným šifrovacím klíčem, digitálními podpisy a algoritmy pro výměnu klíčů (RSA, DSA, ECC, ECDSA, DH). Například výraz zašifrovaný šifrou z 2 048bitového celého čísla by dnešní nejvýkonnější superpočítač dešifroval miliony let, Shorův kvantový algoritmus by to zvládnul během několika hodin.
IBM uvedla soubor služeb přispěla k vývoji tří ze čtyř algoritmů vyvinutých v IBM Labs ve švýcarském Rueschlikonu u Zurichu a následně zvolených NIST pro standardizaci post-kvantového šifrování, kromě toho se stala zakládajícím členem GSMA Post-Quantum Telco Network Taskforce.
Šifrování IBM Quantum Safe cryptography (QSC), založené na obtížně řešitelné matematické problematice jak na klasických, tak kvantových počítačích, splňuje podmínky důvěrnosti, autentizace, integrity a neodmítnutí, a pro distribuci klíčů splňuje podmínky důvěrnosti. Požadavek Quantum Safe pokrývá i více než dva roky uvedený mainframe (dřívější označení pro sálový počítač) IBM z16 s procesorem Telum, což znamená, že by jej neměly ohrozit ani budoucí kvantové počítače založené na qubitech (qubit je kvantovou analogií dnešního bitu). IBM z16 Telum nabízí nejen lepší šifrování (byla vyvinuta quantum-safe cryptography – šifrování) , ale i lepší detekci podvodů.
Dnešní dostupnost QC
IBM má čtyři principiálně jednoduché nabídky, aby se klienti mohli s kvantovými výpočty seznámit.
Open Plan je služba Free Qiskit Runtime, běžící na několika malých kvantových systémech a simulátorech a je dostupná každému.
Plán typu Pay-As-You-Go – jde opět o službu Qiskit v prostředí IBM Cloud s přístupem k systémům IBM Cloud).
Premium Plan – služby Qiskit Runtime na nejvýkonnějších kvantových systémech IBM, zakoupené na rezervované kapacitě. Tyto služby jsou dostupné přes IBM Quantum nebo prostřednictvím IBM Quantum Partners („Quantum Innovation Centers – QICs“), kteří přeprodávají jejich vlastní přístup Premium Plan.
Quantum Accelerator – angažuje (vaše) experty zaměřené na kvantové výpočty a experty z průmyslu, aby vyvíjeli (vaši) připravenost ohledně techniky a byznysu pro QC.
Existují tedy v zásadě dvě verze, placená a neplacená. U placené se účtuje strojový čas po sekundách (cca $1,60/s), přičemž doby výpočtů nepřesahují několik sekund. Programuje se v Pythonu a vývoj probíhá v prostředí Qiskit přes API.
Petr Leština, IBM: „Cloud computing je akcelerátor nových technologií a kvantový počítač je jedním z příkladů, které umožňují prakticky komukoli tuto technologii zpřístupnit díky programovacímu prostředí na bázi OpenSource Qiskit Runtime. Klienti již dnes mají možnost využít až 128 qubitů v různých kvantových počítačů po celém světě.“
