IT Biz a Jakub Krchák, IBM Prague Research and Development Lab vám přinášejí další přiblížení kvantového počítače, a to nejen ve formě teoretického povídání, ale doslova „fyzicky“, tedy přes webové rozhraní. Kvantový počítač je totiž zdarma přístupný všem, i českým vědcům a studentům vysokých a středních škol.
Co je to kvantový princip a co je to qubit?
Kvantový princip je jedním ze základních fyzikálních principů světa a vesmíru, ve kterém se nacházíme. Každé částice podléhá tzv. princip neurčitosti, kde podle Heisenbergova zákona nejsme schopni zároveň určit kde se nachází a jakou má rychlost. Čím přesněji totiž měříme jednu veličinu, tím méně jsme schopni zjistit druhou. Jde o jakési spojené nádoby.
Qubit je informační jednotkou v kvantových počítačích, která je na kvantové mechanice založená. Využívá superpozice stavu částic, které jsou schopny nabývat mnoha pravděpodobnostních hodnot zároveň. Právě proto nám kvantové počítače umožňují dělat něco, co standardní počítače neumějí.
Dalo by se to nazvat něčím jako paralelismem?
Šlo by to přirovnat k integrálnímu paralelismu na úrovni hodnot jednotlivých stavů.
Čím se liší algoritmy pro qubity od těch současných běžných, tj. von neumannovských? Daly by se kvantové počítače, jejichž qubity jsou ve více stavech najednou, volně přirovnat k již technologicky opuštěným analogovým, které uměly například řešit na základě analogových integrátorů (operační zesilovač s kapacitorem ve zpětné vazbě) například průhyb nosníku při zatížení?
Algoritmy pro kvantové počítače se snaží využít právě toho, že qubity kódují zároveň velké množství informace. Proto algoritmy, které na von neumannovských počítačích vedou k exponenciálnímu nárůstu doby výpočtu, na kvantových počítačích jsme schopni je zvládnout v pouze polynomicky rostoucím čase.
Jistý příměr s analogovými počítači existuje, avšak ten je schopen měřit pouze jednu reálnou hodnotu, zatímco qubit je schopen jich držet exponenciálně více, v uvozovkách nekonečně mnoho.
Jak se informace dostává do qubitu a jak se z něj dostává?
Odpověď na tuto otázku vede k elektronické, fyzikální podstatě kvantového počítače, jak jsou qubity reprezentovány. Kvantový počítač IBM dnes využívá supravodivosti. Jak jsme říkali, qubit nabývá superpozice pravděpodobnostních hodnot, takže nejde o klasickou 0 nebo 1. Volně si lze informační hodnotu představit reprezentovanou tím, jak moc je elektronická podstata qubitu v supravodivém stavu. Není těžké informaci do kvantového počítače zapsat, ale udržet ji a přečíst tak, aby nebyla ovlivněna náhodností dané principem kvantové mechaniky, kvantovým šumem.
Dá se tedy volně říci, že qubit je jakýmsi svazkem drátů, do kterého se v supravodivém stavu pustí či nepustí proud, a pak se měří, zda tam je, nebo není?
Velmi volně, protože každý qubit se nachází v kvantové superpozici takových stavů. Proto také většina těch „drátů“, které tam jsou, slouží k tomu, abychom se poprali s kvantovou neurčitostí, dokázali udržet informaci a byli schopni zjistit superpozice dvou vztahů, které jsou kvantově provázány.
Které úlohy lze s kvantovými počítači efektivně řešit, které ne?
Některé úlohy, jako například faktorizace, tj. rozklad velkého čísla na součin prvočísel použitelná pro medializované prolomení šifer, řazení seznamů, žíhání a zjišťování maxima a minima, jsou na kvantových počítačích lépe řešitelné, než na klasických. Když je na kvantovém počítači pustíme, už svojí podstatou je schopen výpočet sledovat a modelovat s polynomickým nárůstem času výpočtu, oproti exponenciálnímu u von neumannovských počítačů. Zajímavé jsou rovněž úlohy, které v sobě fundamentálně obsahují kvantovou mechaniku. Jde typicky o úlohy z fyziky nebo chemie.
Dá se kvantový počítač simulovat na běžném počítači?
Určitě. IBM nabízí, aby si uživatel napsal svůj kvantový algoritmus v prostředí IBM Cloud, kde si jej nechá seběhnout a ověřit normálním počítačem (je to díky tomu, že současné kvantové počítače jsou malé). Když je uživatel spokojený, jak výpočet algoritmu proběhl, může si jej pak skutečně pustit na kvantovém hardwaru, což je součástí naší nabídky IBM Quantum Experience.
Znamená to, že na klasickém výpočetním prostředí v cloudu si uživatel nasimuluje nějakou úlohu s menším počtem proměnných, aby byla zvládnutelná, a pak spustí její výpočet na kvantovém počítači s plným počtem proměnných?
Dnes je to stále možné s plným počtem proměnných, protože současný kvantový počítač, který IBM dává k dispozici, má pouze 5 qubitů. Jeden qubit však reprezentuje velké množství superpozic, takže i tak jde o mnohem mocnější nástroj, než pouhých pět bitů – nul a jedniček v dnešním běžném pojetí.
Zatím ještě nelze očekávat, že by tento kvantový počítač dokázal spočítat něco, co by klasické počítače nedokázaly, pět qubitů je stále ještě příliš málo. Přesto však jde o obrovský pokrok, posunutí hranice výzkumu. Jsme už totiž schopni postavit univerzální kvantový počítač, který může i na oněch pěti qubitech počítat jakýkoliv algoritmus. Hardware samotný nám umožňuje potlačení kvantových nejistot.
Budou moci kvantové a ty současné, klasické von neumannovské, sdílet informace, například aby ty kvantové udělaly nejnáročnější výpočty a prezentaci jejich výsledků pak ty klasické? Jak si budou informace předávat?
Ono se to předávání informací mezi kvantovými a klasickými počítači už děje. Kvantový počítač IBM je totiž připojený do cloudu, takže výsledky jeho počítání jsou odečítány standardními počítači, a následně jsou dávány pomocí internetu k dispozici dalším klasickým počítačům.
Mohli bychom se však ptát na rozdělení úloh mezi tyto dva typy výpočetních prostředí. Kvantové počítače jsou drahé, unikátní, a pravděpodobně to tak kvůli fyzikálním principům zůstane. Proto ještě dlouhou dobu budou počítat jen speciální úlohy a zbytek nechají těm klasickým.
Budou kvantové počítače vždy spíše otázkou pro specializovaná datacentra se speciálním prostředím, kde budou moci zajistit nízké teploty blízké supravodivosti? Nebo je bude možno v budoucnu miniaturizovat alespoň pro nasazení ve větších organizacích, volně přirovnáno jako se tomu stalo s tzv. minipočítači typu AS/400 od IBM, nebo modely od již prakticky zaniklých společností Control Data Corporation (CDC), nebo PDP či VAX od Digital Eqipment apod.?
Vývoj jde velmi rychle kupředu, takže je obtížné dát zaručenou odpověď. Se současnou úrovní znalostí a osvojení technologií půjde spíše o specializovaná datacentra, protože teploty potřebné k dosažení supravodivosti, jsou nižší, než je teplota vnějšího vesmíru, velmi blízko absolutní nule (0 K = -273,16 stupňů Celsia). Tohle si lze skutečně těžko představit, že bude mít někdo v obýváku.
Kdy lze očekávat nástup komerčního nasazení kvantových počítačů? Existují zprávy, že například Google nebo Lockheed Martin je už nějak také používají.
Lze říci, že komerční nasazení kvantových počítačů v jistém slova smyslu existuje už dnes, na zmíněném od IBM. Už dnes na něm probíhá výzkum, který nás posouvá dopředu. Nicméně univerzální 100qubitový kvantový počítač bude schopen zvládnout úlohy, jichž standardní von neumannovské počítače nebudou schopny. Je otázkou, kdy se ze současných 5 qubitů dostaneme na 100 qubitů. Někdo optimisticky říká pět let, někdo deset let. Řekněme, že v nějakém takovém horizontu bychom mohli mít kvantový počítač, jaký bude schopen dělat něco, co ty standardní nedokážou, nebo by jim to trvalo velmi dlouho. Pak bude zajímaví komercionalizace.
Co se týče využívání kvantových počítačů Googlem, vím, že si koupili pro zajímavost stroje od firmy D-Wave (další informace na www.scienceworld.cz nebo zde). Ta však nevyrábí univerzální kvantové počítače, nýbrž speciální stroje, užitečné jen pro určité typy úloh; vědecká komunita se domnívá, že nejsou schopny udělat nic, co by nebyly schopné udělat ty von neumannovské. Umožní ovšem spočítat některé algoritmy rychleji. Dělají to jinak, je to zajímavé, firmy typu Google o to mají zájem, avšak také se zároveň „jen“ dívají na „state of the art“, co to umí. Lockheed Martin je také zákazníkem D-Wave.
Bude jejich nasazení něčím výlučné z hlediska nedostatečné počáteční kapacity dodávek jako tomu bylo v případě prvních S/360, případně ohledně nějakého embarga? Oslovil už někdo IBM s poptávkou?
Na tuto otázku je těžké dnes odpovědět, pohybujeme se v rovině, že se snažíme využívat kvantový počítač pro vědeckou komunitu a optimalizovat jej tak, aby jeho vývoj šel kupředu co nejrychleji. Odpovědí na tuto otázku bychom příliš předbíhali.
Slibuje si IBM od uvedení kvantového počítače obdobný průlom ve výpočetní technice a dosažení obrovského náskoku před ostatními, jako od sálového počítače IBM S/360, který v podstatě velmi dobře žije už téměř 50 let, dále riscové systémy s procesory Power, nebo i zavedení standardu IBM/PC?
IBM věří tomu, že kvantové počítače budou schopny vykonávat výpočty, které ty současné nedokážou. V dnešní době však na této problematice skutečně pracujeme na bázi základního výzkumu a zatím nejsme ve stádiu plné komercionalizace.
Pro zapojení široké vědecké veřejnosti dala IBM dala k dispozici kvantový počítač na cloud. Existuje webové rozhraní, kam může kdokoliv přijít a napsat si pro kvantový počítač algoritmus, program. Na webu je velké množství materiálů, kde se lze postupně s kvantovým počítačem seznámit a vědecká komunita si na něm může ověřovat svoje vlastní programy.
Je kvantový počítač IBM k dispozici za poplatek, nebo zdarma?
Několik prvních spuštění kvantového počítače IBM je zdarma, další jsou zpoplatněny mikroplatbami za každé spuštění. Jak už jsem zmínil, existuje možnost spustit si úlohu jen simulovaně, a ta je vždy zdarma.
Takže kvantový počítač IBM je přístupný i vědcům z České republiky?
Ano, vědecké komunitě, studentům, a to nejen vysokoškolským, ale i středních škol, široké veřejnosti se zájmem o počítače a jejich vývoj.