Kvantové počítače po drobných krůčcích získávají zájem zákazníků, investorů i největších průmyslových firem. V poslední době jsme na tomto poli mohli zaznamenat např. dvě významné novinky.
Společnost D-Wave představila systém s více než 1 000 qubity (kvantovými bity), investici a partnerství oznámil i Intel. Znamená to, že technologie míří z výzkumných center k výrobcům IT?
Viz také: Intel investuje 50 milionů dolarů do výzkumu kvantových počítačů
(Jedná se o spolupráci s Qutech a dalšími nizozemskými organizacemi.)
Při této příležitosti nám rozhovor poskytl James S. Clarke, který u Intelu zastává pozici Manager of Quantum Computing Hardware.
Jaké konkrétní technologie a zkušenosti Intelu by mohly vylepšit stávající kvantové počítače (zákaznické procesory/qubity, substráty – wafery, zkušenost s průmyslovou produkcí…)?
Společnost Intel se zaměřuje na dva typy qubitů, které intenzivněji zkoumáme: supravodiče a kvantové tečky. Supravodivé qubity se podobají našim současným kovovým rozhraním/sběrnicím, kvantové tečky zase našim tranzistorům. Naše zkušenosti s procesy (včetně výroby) v těchto dnes už standardních oblastech chceme využít i při dalším výzkumu a vývoji kvantového počítání.
| Qubit – kvantový bit; částice reprezentující informaci, např. molekula nebo elektron, kde hodnotě 0/1 odpovídá např. spin. Obecný kvantový počítač se může nacházet ve všech kombinacích (superpozici) stavů jednotlivých qubitů současně, tj. v jeden okamžik obsáhne celý stavový prostor různě nakombinovaných jedniček a nul. Od toho se odvozuje exponenciální nárůst výkonu oproti počítání klasickému. Fakticky ale z oné „superpozice“ je třeba nějak odečíst výsledek, který nás zajímá. Kvantové počítače nenarážejí jen na konstrukční otázky („aby se to nerozsypalo“), ale i na nedostatek algoritmů („jak vůbec zakódovat úlohu/zjistit výsledek“). Efektivní (= rychlejší než klasické) kvantové algoritmy známe jen pro několik typů úloh, a na tom se v posledních letech mnoho nezměnilo. |
Když se podíváme na pokrok cloudových řešení, vícejádrových procesorů a zpracování dat v paměti (in-memory), existuje dnes vůbec reálná poptávka po kvantových počítačích a jejich teoretickém výkonu? Tedy alespoň mimo speciálních matematických problémů a úloh typu kryptografie?
Kvantové počítače slibují řešení problémů takové složitosti, s nimiž si současné ani budoucí superpočítače fungující na klasickém modelu prostě neporadí. Nemusí jít jen o kryptografii, ale třeba o chemické modelování nebo návrhy nových léků. Takže kvantový počítač by klidně mohl být i standardní nabídkou špičkových datových center. V Intelu se snažíme studovat nové algoritmy i aplikace – tak, aby se využitelnost kvantových počítačů ještě zvýšila.
Nejmodernější 300mm wafery Intelu z křemíku a germania by měly být použity jako substrát pro qubity. Zleva Lieven Vandersypen (Technická univerzita Delft), James S. Clarke (Intel), Mike Mayberry (Intel), Leo di Carlo (QuTech).
Máte nějakou představu, jak propojovat qubity se základními prvky klasické počítačové architektury. Jak bude v kvantových počítačích fungovat vstup/výstup, práce s pamětí či oprava chyb?
Pokud jde o nedávno uzavřené partnerství, jak Intel, tak i QuTech zde mají jasné vize. Nicméně bude třeba ještě mnoho práce, společně optimalizovat výrobní procesy, návrh obvodů i samotnou základní architekturu, aby se podařilo vytvořit funkční „topologii“ mezi oběma dosud oddělenými světy.
Viz také: Kvantové počítače přitahují investory
Jak Intel vidí roli společnosti D-Wave? Na jednu stranu už dokáže své produkty prodávat, na druhé straně dodává speciální, nikoliv univerzální kvantové počítače – ostatně se i diskutovalo, zda by se produktům D-Wave vůbec mělo takto říkat a nejde spíše o speciální typ analogových počítačů. Pokládáte přístup D-Wave za perspektivní?
Existuje mnoho přístupů, jak z qubitů skládat kvantový počítač. D-Wave prodává systém, který je navržen pro jednu konkrétní aplikaci kvantového počítání – kvantové žíhání. Intel se zaměřuje na přístup založený na převodu univerzálního počítaní do kvantového světa, tj. na logická hradla. To nabízí samozřejmě mnohem univerzálnější uplatnění. Oba tyto přístupy ke kvantovému počítání budou existovat vedle sebe, vzájemně se obohacovat, a to jak na úrovni výzkumu, tak i při praktické realizaci.
Žíhání, kvantové žíhání
Představte si, že prohledáváte nějaký prostor („stavový prostor“, „adaptivní krajina“) a zajímají vás nejvyšší hodnoty (vrcholky, maxima funkce). To je běžné při optimalizačních úlohách, jako je např. známý problém obchodního cestujícího. Algoritmus někde začne a putuje směrem k cíli, nahoru nebo dolů. Co ale s tím, když se zasekne jako kulička v důlku, která pak už nedokáže směřovat do důlku položeného níže, protože by mezi tím musela nahoru? Hrozí, že algoritmus najde jen lokální, nikoliv globální extrém. Žíhání je způsob, jak kuličku pošťouchnout, aby našla ještě výhodnější řešení – tento postup se používá třeba v genetických algoritmech. Kvantové žíhání si má jít představit tak, že kulička dokáže mezi jednotlivými vrcholky v krajině tunelovat. U produktů D-Wave se nicméně uvádí, že i toto provádějí jen do určité míry, nezaručuje se nalezení celkového optima; nicméně v řadě úloh stačí nalézt dostatečně dobré řešení dostatečně rychle.
Intel a D-Wave nyní nějak spolupracují?
Jsme přesvědčeni, že žádná firma ani výzkumná organizace nedokáže vlastními silami prorazit cestu pokročilejším kvantovým počítačům. Problémy jsou technicky tak složité, že cestou k jejich řešení je spolupráce a partnerství v rámci celého oboru. Nicméně podobné dohody a partnerství nebudeme komentovat ani o nich spekulovat, dokud nejsou oficiálně oznámeny.
Jaké zkušenosti má Intel s provozem elektroniky při velmi nízkých teplotách?
I nízkoteplotní elektroniku bude třeba propojit, řídit a odečítat hodnoty qubitů – tedy provádět to, s čím má právě společnost Intel zkušenosti rozsáhlé. Při spolupráci s QuTech se know-how Intelu dále rozšíří. Každopádně QuTech je pro nás v oblasti kvantových počítačů v tuto chvíli hlavní partner; jsme otevřeni spolupráci s dalšími výzkumnými organizacemi, protože náš výzkum i jeho priority se samozřejmě budou dále vyvíjet.