Jedním z hlavních vědeckých úkolů naší doby je závod o vytvoření prvního užitečného kvantového počítače. Tento závod se zúčastňuje tisíce fyziků a inženýrů. Svá řešení vyvíjejí společnosti jako IBM, Google, Alibaba, Microsoft a Intel. Jak mocné výpočetní zařízení změní náš svět a proč je to tak důležité?
Představte si na chvíli: plnohodnotný kvantový počítač byl vytvořen. Stal se běžnou a přirozenou součástí našeho života. O klasických výpočtech se teď mluví jen ve škole, na hodinách historie. Kdesi hluboko v chladných sklepech operují mocné stroje s qubity, aby podpořily činnost robotů vybavených umělou inteligencí. Ti vykonávají všechny nebezpečné a monotónní úkoly. Když se procházíte parkem, díváte se kolem sebe a vidíte rozmanité roboty. Člověku podobná stvoření venčí psy, prodávají zmrzlinu, opravují elektroinstalace, zametají prostor. Některé modely dokonce nahrazují domácí mazlíčky.
Získali jsme možnost odhalit všechna tajemství vesmíru a nahlédnout dovnitř sebe samotných. Medicína dosáhla nové úrovně — inovativní léky se vyvíjejí každý týden. Můžeme předpovídat a určit, kde se nacházejí vzácné zdroje, jako plyn a ropa. Problém globálního oteplování je vyřešen, metody šetření energie jsou optimalizovány, ve městech již neexistují zácpy. Kvantový počítač nejenže řídí všechny robotické stroje, ale také zajišťuje volný pohyb: sleduje situaci na silnicích, upravuje trasy a v případě potřeby přebírá kontrolu nad řidiči. Tak by mohl vypadat kvantový věk.
Kvantová zlatá horečka
Perspektivy využití ohromují, a proto investice do kvantových vývojů každým rokem rostou. Světový trh kvantových výpočtů byl v roce 2018 oceněn na 81,6 milionu USD. Specialisté z Market.us předpokládají, že do roku 2026 dosáhne 381,6 milionu USD. To znamená průměrný roční nárůst o 21,26 % od roku 2019 do roku 2026.
Tento růst je podpořen rostoucím využíváním kvantové kryptografie v aplikacích zabezpečení a je způsoben investicemi zainteresovaných stran na trhu kvantových výpočtů. Do začátku tohoto roku, podle analýzy vědeckého časopisu Nature, soukromí investoři financovali alespoň 52 společností v oblasti kvantových technologií po celém světě. O vytvoření prakticky použitelných kvantových počítačů usilují velcí hráči, jako jsou IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel a D-Wave Systems.
Ano, zatímco finanční prostředky investované do této oblasti každoročně představují malé náklady (pro srovnání: v roce 2018 investice do AI činily 9,3 miliardy USD). Ale tyto čísla jsou významná pro nezralý sektor, který se ještě nemůže pochlubit jednoznačnými výsledky.
Řešení kvantových úloh
Je třeba si uvědomit, že technologie je stále v plenkách. Dosud byly vyvinuty pouze prototypy kvantových strojů, jednotlivé experimentální systémy. Tyto systémy dokážou vykonávat omezené algoritmy malé složitosti. První 2-qubitový počítač byl vytvořen v roce 1998 a lidstvu trvalo 21 let, než dostalo zařízení na úroveň známou jako „kvantová nadřazenost“. Tento termín zavedl profesor Kalifornského technologického institutu John Preskill. Označuje schopnost kvantových zařízení vyřešit úlohy rychleji než nejvýkonnější klasické počítače.
Průlom v této oblasti učinila kalifornská společnost Google. V září 2019 oznámila, že jejich 53-kubitské zařízení Sycamore zvládlo výpočet za 200 sekund, na jehož provedení by u nejmodernějších superpočítačů trvalo 10 000 let. Toto prohlášení vyvolalo mnoho diskusí. V IBM s těmito výpočty kategoricky nesouhlasili. Ve svém blogu napsali, že jejich superpočítač Summit by tuto úlohu zvládl za 2,5 dne. A vše, co k tomu potřebují, je zvýšit kapacitu úložného prostoru. I když se ve skutečnosti rozdíl neukázal jako tak kolosální, Google skutečně jako první dosáhl „kvantové supremacy“. A to je důležitý milník v počítačových výzkumech. Ale nic víc. Úspěch Sycamore má výhradně demonstrační charakter. Nemá praktické využití a je k ničemu pro řešení reálných úloh.
Hlavním problémem je hardware. Zatímco tradiční výpočetní bity mají hodnotu 0 nebo 1, v podivném kvantovém světě mohou kubity existovat ve dvou stavech současně. Tato vlastnost se nazývá superpozice. Kubity jsou podobné točícím se hračkám: otáčejí se současně ve směru hodinových ručiček i proti a pohybují se nahoru a dolů. Pokud to považujete za matoucí, jste ve skvělé společnosti. Richard Feynman jednou řekl: „Pokud si myslíte, že rozumíte kvantové mechanice, pak ji nechápete.“ Odvážná slova od člověka, který dostal Nobelovu cenu za… kvantovou mechaniku.
Kubity jsou tedy extrémně nestabilní a vystavené vlivům z okolí. Auto projíždějící pod okny laboratoře, vnitřní šum chladicího systému, letící kosmická částice – jakýkoli náhodný rušivý faktor, jakékoli interakce narušují jejich synchronizaci a dochází k dekohereci. To je nevhodné pro výpočty.
Klíčovou otázkou pro rozvoj kvantových výpočtů je, jaké hardwarové řešení z mnoha prozkoumaných bude zajišťovat stabilitu kubitů. Ten, kdo vyřeší problém narušení koherence a učiní kvantové počítače stejně rozšířené jako grafické procesory, získá Nobelovu cenu a stane se nejbohatším člověkem na světě.
Cesta k komercializaci
V roce 2011 kanadská společnost D-Wave Systems Inc. jako první začala prodávat kvantové počítače, přičemž jejich užitečnost je omezena na určité matematické úkoly. V nejbližších měsících však miliony vývojářů budou moci začít používat kvantové procesory přes cloud – IBM slibuje poskytnout přístup k svému 53-qubitovému zařízení. Dosud v rámci programu nazvaného Q Network tuto výhodu získalo 20 společností. Mezi nimi jsou výrobce techniky Samsung Electronics, automobilky Honda Motor a Daimler, chemické společnosti JSR a Nagase, banky JPMorgan Chase & Co. a Barclays.
Většina společností, které dnes experimentují s kvantovými výpočty, je považuje za nezbytnou součást budoucnosti. Jejich hlavním úkolem nyní je zjistit, co funguje v kvantových výpočtech a co ne. A být připraveni jako první implementovat technologii do podnikání, jakmile bude připravena.
Dopravní organizace. Volkswagen ve spolupráci se společností D-Wave vyvíjí kvantovou aplikaci – systém řízení dopravy. Nový program umožní veřejným dopravním organizacím a taxi společnostem ve velkých městech efektivněji využívat svůj vozový park a minimalizovat čekací dobu pasažérů.
Energetický sektor. ExxonMobil a IBM podporují využívání kvantových výpočtů v energetice. Zaměřují se na vývoj nových energetických technologií, zvyšování energetické účinnosti a snižování emisí skleníkových plynů. Rozsah a složitost úkolů, kterým čelí energetický sektor, přesahují schopnosti moderních tradičních počítačů a jsou ideální pro testování na kvantových počítačích.
Farmaceutické společnosti. Accenture Labs spolupracuje se společností 1QBit, vývojářem kvantového softwaru. Během pouhých 2 měsíců se posunuli od výzkumu k ověřování konceptu – aplikaci modelování složitých molekulárních interakcí na atomových úrovních. Díky schopnostem kvantových výpočtů se nyní nabízí možnost analyzovat větší molekuly. Co to přinese společnosti? Inovativní léky s minimálními vedlejšími účinky.
Finanční sektor. Technologie založené na principech kvantové teorie stále více přitahují pozornost bank. Ty mají zájem co nejrychleji zpracovávat transakce, obchody a další typy dat. Své experimenty na vývoji specializovaného softwaru již provádějí Barclays a JP Morgan Chase (s IBM), a také NatWest (s Fujitsu).
Akceptace ze strany takových velkých korporací a výskyt podnikavých kvantových pionýrů naznačuje komerční životaschopnost kvantových technologií. Již vidíme, jak se kvantové výpočty aplikují na úkoly reálného světa — od zvyšování energetické účinnosti po optimalizaci tras silniční dopravy. A co je důležité, hodnota technologie poroste s jejím vývojem.
Zdroj: habr.com
