O kvantových počítačích s viceprezidentem společnosti IBM a šéfem výzkumných laboratoří v Zürichu ve Švýcarsku, kterým je Alessandro Curioni. Co je k dispozici dnes, co IBM plánuje na zítřek, jaké jsou možnosti kvantových počítačů, a co může ovlivnit náš život s nimi.
Nejprve se zeptám na kvantové počítače a výpočty
S kvantovými počítači jsme se začali zabývat už před nějakými padesáti lety. Dlouho si nikdo nedokázal představit, že by vůbec mohly existovat. Neměli jsme dostatečně spolehlivou technologii. Teprve dnes ale můžeme říci, že se dostávají do stavu dospělosti. Máme supravodivé kvantové bity a dali jsme pětiqubitový počítač do cloudu, abychom nastartovali komunikaci s ekosystémem. Z tohoto velmi počátečního prototypu jsme se v roce 2021 na podzim dostali poprvé jako firma až k možnosti zveřejnit detailní plán (roadmap) na dalších pět až deset let. Toto ohlášení pro nás i celý svět znamenalo, že jsme velmi velkým hráčem. Když vyvíjíte technologii, ale nemáte plán dalšího vývoje, je tato technologie bezpochyby v samých počátcích jako prototyp. Avšak když společnost jako IBM ohlásí plán dalšího vývoje, znamená to, že jsme ve stavu, v jakém se technologie přesouvá z laboratoře a akademického prostředí do stavu skutečného stroje. Ohlášením dalšího vývoje jsme také dali na vědomí, že zlepšíme všechny naše stroje včas.
Obr.: Plán vývoje pro IBM Quantum Computing
Co považujete z hlediska plánu u IBM QC za zásadní?
Podstatnými faktory jsou zvýšení výkonu, tj. škálování, dále pak kvalita a rychlost.
Co se týče zvyšování výkonu, posunuli jsme se z dnes už komerčně poskytovaných 27 qubitů, šli jsme na 63 qubitů, letos jsme ohlásili, že uvedeme přes 400 qubitů, a v roce 2023 tisíc qubitů, a tak hodláme pokračovat a uvádět takto silné kvantové počítače do provozu. V plánu jsme nevynechali jediný bod, je velmi solidní.
Druhá základní věc, ta nesouvisí s počtem qubitů, jde o jejich kvalitu, protože když není vysoká, je nepoužitelný. Podařilo se nám tedy zvýšit koherentní dobu, což je doba, kdy se qubit chová jako kvantový bit, a po tuto koherentní dobu můžete provádět kvantové operace. Za několik let budeme schopni zvýšit koherentní dobu více než desetkrát. Spolehlivost dnešního qubitu tím zvýšíme tisíckrát, což znamená jednu chybu na tisíc operací. Z hlediska výpočtů to znamená nejen zvýšení velikosti, ale i výkonu počítače.
Rychlost je třetí na řadě. Co znamená v případě kvantového počítače? Když provádíte nějaký výpočet, potřebujete nastavit qubity, a pak provést operaci, která je řízena klasickou počítačovou hradlovou logikou. Rychlost, s jakou může kvantový systém komunikovat s klasickým světem, je nadmíru důležitý pro to, abychom mohli dostat něco, co je hodnotné. Když to můžete provést jen jednou za vteřinu, můžete dostat rychlý výsledek. Když ale budete chtít provést další operaci, bude to pomalé a celý systém nebude dobrý. Naše začlenění kvantového do klasického výpočetního systému ve správném runtimu, můžeme už nyní mít technologii, která je tisíckrát rychlejší a výkonnější, než jakákoliv jiná. Tyto tři záležitosti, tj. škálování, kvalita a rychlost, posouvají vývoj na vyšší úroveň, jaká umožnila vytvořit náš plán dalšího vývoje.
Jaký je nejvyšší střednědobý výhled, jakého počtu propojených qubitů hodláte dosáhnout?
Co se týče škálování, počtu qubitů, jedním z důvodů zvyšování jejich počtu je, že je můžete topologicky sdružovat pomocí kvantových propojení do větších kvantových procesorů. Nebo je můžete propojit pomocí klasické logiky. Pokusíme se s naším systémem příští generace využít pro zvýšení počtu qubitů obojí metody, a tedy jak kvantového propojení, tak pomocí klasickými počítačovými linky. Je to také velmi důležité pro náš plán vývoje, který počítá se 4 000 qubity, všechny propojeny kvantově. Pak můžete vzít více čtyřtisícových kvantových počítačů a následně je propojit dalšími klasickými počítačovými linky. Co vám to přináší? No přece možnost provádět velmi komplexní výpočetní operace, řešit problémy v gridu, mřížce, rozdělit je na menší úlohy a přivést je na různé kvantové počítače.
Dá se propojení kvantových počítačů s klasickými k něčemu přirovnat?
Jde o něco jako paralelní výpočetní systém. U kvantových výpočtů je důležité, že velmi komplexní problém, který byste chtěli dát k řešení na velkém klasickém počítači, budete moci spustit na plně kvantovém. Když na něm však nebudete mít k dispozici dostatečný počet qubitů, můžete úlohu rozdělit. Spojení klasických a kvantových počítačů tím dává našim partnerům kvantovou výhodu ještě mnohem dříve, než bude k dispozici obrovský kvantový počítač, s nímž byste mohli takovou úlohu vyřešit. Nebudeme mít k dispozici milion qubitů ještě za pár let. Můžeme toho dosáhnout jen propojením více vrstev. Také budeme pro to muset mít algoritmy, abychom s nimi mohli spočítat to samé. Tomuto konceptu říkáme quantum-centric supercomputer. Co to znamená? Když se podíváme padesát let nazpátek, nejhodnotnějším prvkem v počítači byla CPU, centrální procesorová jednotka, s níž jste prováděli výpočetní operace. Zbytek systému, který CPU obklopoval, byl navržen tak, aby pomáhal činnost CPU optimalizovat. Šlo o počítač typu CPU-centric. Měl vyrovnávací paměti cache, paměti druhé úrovně, a to všechno pomáhalo vytěžit z CPU maximum. Dnes, po padesáti letech, se zabýváme umělou inteligencí, AI, a s ní spojenou analytikou. Pozornost převzala jednotka GPU, která je akcelerátorem výpočtů v AI. Když se podíváte na dnešní superpočítače, jsou pro změnu GPU-centric; nejhodnotnějším prvkem počítače se stala GPU. Centrální procesorová jednotka, CPU, provádí zbytek operací. Na základě této analogie jsme přesvědčeni, že superpočítače zítřka budou typu quantum-centric. Kvantový procesor bude nejhodnotnějším prvkem superpočítače, a všechny další prvky okolo něj, tj. CPU, GPU a další, budou navrhovány tak, aby maximalizovaly využití kvantové procesorové jednotky. Kvantový počítač nikdy nebude strojem, který by byl používán jako samotný, i když nikdy neříkej nikdy. I kvantové výpočty budou potřebovat klasické počítače, aby mohly poskytovat hodnotu, a my je musíme poskládat tak, aby toho byly schopny.
Můžete uvést nějaký příklad?
Jistě, kvantové a klasické počítače mohou dohromady provádět velmi komplexní soubor úloh. Vezměme za příklad jedno násobení a jedno sčítání. Pro klasický počítač je to velmi snadné, snad až nejsnazší. U kvantového počítače to také jde, avšak sčítání a násobení jsou pro něj mnohem složitější. Teď tento problém obraťme. Nechť máme velké číslo a chceme vypočítat jeho faktoriál, když máte produkt, který tak velké číslo vytváří. Pro klasický počítač je vyřešení tohoto problém velmi těžké, jde o faktorizaci, jejíž složitost roste exponenciálně. Pro kvantový počítač je to naopak snad ta nejsnazší úloha. Také z toho důvodu mohou kvantové počítače prolomit šifrování kódy RSA. Klasický počítač umí rychle násobit, kvantový zase rychle zvládá exponenciální úlohy. Existuje určitá třída úloh, kde bude kvantový počítač pomalejší, než klasický.
Jde tedy o výpočty se strukturami typu matice, tenzor, forma?
Ano, jde o vektorové výpočty, jako spočítat něco jako Rubikovu kostku, ale s více rozměry.
Dešifrování pomocí kvantových počítačů je hrozbou zítřka
Možnost prolomení šifer RSA, prolomení blockchainu, to nejsou jediné hrozby, které mohou kvantové počítače přinést. Jejich možnost dešifrování je v podstatě hrozbou pro celý internet. Vezměte autentizaci, když se přihlašujete k webovému serveru. Dnes používáte šifrování, které není quantum-safe. Když budete implicitně mít k dispozici dostatečně velký kvantový počítač, budete s ním schopni dešifrovat váš klíč do bankovního konta, budete moci změnit váš digitální podpis na kontraktu nákupu vašeho domu… Toto vše, jen když bude někdo mít k dispozici dostatečně velký kvantový počítač.
Je z hrozby dešifrování pomocí QC nějakého úniku?
V laboratořích IBM jsme už před nějakými šesti lety, když byly kvantové počítače v plenkách, vyvinuli nové šifrovací algoritmy. Říkáme jim quantum-safe a jsou v procesu standardizace u agentury NIST Spojených států. Tyto algoritmy vznikly z 28 algoritmů předložených do NIST z celého světa a do procesu standardizace prošly čtyři. Všechny čtyři přitom byly vyvinuty lidmi z mé laboratoře základního výzkumu IBM ve švýcarském Zürichu. Dnes jsme v procesu divergence a posunu, protože to bude mít všeobecný dopad, jakmile bude standard dostupný. Už se však používají i tak, protože musíme posoudit rizika. Mohli bychom to přirovnat k problému roku 2000, který byl tak trochu distribuován v čase, protože nikdo neví, zda bude někdo jiný mít izolovaný kvantový počítač. Každý den může být pozdě. Mohu však upřímně říci, že se ví, kdo a kde na světě kvantové počítače vyvíjí. Avšak zda jde o firmu nebo stát, který by se o něj mohl s někým podělit, až tak daleko zase nevidíme.
Ve spojitosti s QC jste se zmínil o AI, jak ta může ovlivnit náš život?
AI nastoupila už s klasickými počítači a s QC to bude pokračovat, obojí bude konvergovat.
Snad nejdůležitější bude simulování přírody, počasí, chování molekul. Můžeme to sice provádět už dnes, ale musíme velmi aproximovat. S pomocí QC však lze chování přírody simulovat velmi, velmi přesně. Kromě simulování přírody to budou simulace nad velkým množstvím dat, jejichž prezentace je velmi obtížná. Dnešní metody ML (strojové učení) na to nejsou příliš účinné, protože jsou nuceny problém velmi zjednodušit. Když máte kvantový počítač pro uchování dat obsahující informace, a můžete růst ze „2 na n“ qubitů, můžete najít korelaci mezi těmito datovými strukturami lépe.
Bude to dobré pro získávání vědomostí o komplexních datech, když budete mít méně informací, ale budou stále důležité, například pro globální optimalizaci, pro snižování nákladů. Třeba u logistických procesů, kde se dnes používají heuristické metody (Wiki: aproximace založená na předchozích zkušenostech). QC je pro úlohy optimalizace komplexních scénářů mnohem rychlejší a přesnější.
Pro normálního člověka to bude znamenat, že veškeré počítačové návrhy budou mnohem lepší. Budeme mít lepší materiály pro každodenní použití, pro mobilitu, uchovávání energie. Pro řešení uhlíkové stopy budeme schopni lépe zkoumat vazby CO2 s materiály. Využijeme je v lepších terapiích, farmacii, nebo ve speciálně navrhovaných materiálech, protože jejich vlastnosti budou simulovány lépe. U každého systému dnes obtížného pro optimalizaci, pohyb lidí, aut, tam bude velký posun.
