Před čtyřmi lety fyzikové ze společnosti Google prohlásili, že jejich kvantový počítač dokáže překonat klasické stroje — ovšem pouze v oblasti exotických výpočtů, pro které nemáme praktické využití. Nyní jejich kolegové z IBM tvrdí, že mají důkazy, že kvantové počítače brzy překonají ty běžné i v užitečných úlohách, jako je výpočet vlastností materiálů nebo interakcí elementárních částic.
Kvantový počítač společnosti IBM © IBM
V experimentu popsaném v časopise Nature v polovině června vědci simulovali chování magnetického materiálu na kvantovém procesoru IBM Eagle. Klíčové je, že se jim podařilo vyřešit problém kvantového šumu, hlavní překážku při aplikaci této technologie. Šum doposud vnášel do výpočtů chyby, kvůli nimž nebylo možné získat spolehlivé výsledky.
Techniky „zmírňování chyb“ umožnily týmu provádět kvantové výpočty „v měřítku, ve kterém budou mít klasické počítače problémy“, říká Katie Pizzolatová, která vede skupinu kvantové teorie IBM v Yorktown Heights ve státě New York.
Přestože problém, který řešili, využívá značně zjednodušený, nerealistický model materiálu, výsledek „dodá člověku optimismus, že to bude fungovat i v jiných systémech a u složitějších algoritmů,“ prohlásil pro časopis Nature John Martinis, fyzik z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, který vedl tým Googlu k jeho milníku v roce 2019.
Sabrina Maniscalcová, výkonná ředitelka začínajícího podniku Algorithmiq, který se zabývá kvantovými počítači v Helsinkách, říká, že tento experiment poskytuje měřítko pro nejnovější stav kvantových počítačů. „Tyto stroje se blíží,“ řekla pro Nature. Maniscalcové společnost vyvíjí algoritmy pro kvantově-chemické výpočty využívající zmírňování chyb.
Jedinečně kvantové
Kvantové počítače mají již za sebou bohatou papírovou historii. „Vysnil“ si je slavný fyzik Richard Feynman před víc než půlstoletím. Právě on si podle všeho jako první uvědomil, že s využitím zákonů kvantové mechaniky je teoreticky možné postavit zařízení s ohromným výpočetním výkonem.
Možné to je díky spojení několika na pohled opravdu podivných zákonitostí kvantového světa. První z nich říká, že velmi malé „věci“ mohou být v několika stavech najednou (tzv. kvantová superpozice stavů). Klasický bit může nabývat jen stavy 1, nebo 0; kvantový bit (čili qubit) může být i obojí najednou. Nemá smysl příliš přemýšlet na tím, jak a proč je to možné. V našem makroskopickém světě to možné není, ve světě elementárních částic ano.
U jednoho qubitu to ve srovnání s bitem klasickým není velký rozdíl — v podstatě může nést jen dvojnásobné množství informací. Znovu však opakujeme, že v kvantovém světě neplatí normální pravidla. Kvantové počítače kromě principu „obojakosti“, tedy superpozice stavů, využívají ještě tzv. „magického“ pouta kvantové provázanosti.
Jde o další neintuitivní jev. My se pro tuto chvíli spokojíme s velmi zjednodušeným konstatováním, že při něm dojde k vytvoření „magického“ pouta mezi dvěma částicemi či atomy. A když je dokážete vzdálit a udržet přitom provázané, můžete působením na jednu z nich teoreticky na libovolnou vzdálenost okamžitě ovlivnit i stav částice druhé.
Když tedy provážete dva kvantové bity, qubity, najednou mohou nést čtyřikrát více informací. Teoreticky není důvod, proč jich neprovázat ještě více: tři, deset nebo sto... A tady už je nárůst neuvěřitelně rychlý — množství informací v systému roste s mocninou počtu provázaných qubitů. V případě dvou je to 22, tedy 4. Pro pět je to 25, tedy 32. A pro 53 qubitů je to už 253, tedy 9 007 199 254 740 992 (devět biliard).
Fyzikové experimentují s řadou hardwarových možností pro stavbu kvantových počítačů, včetně pastí pro jednotlivé ionty nebo neutrální atomy. Přístup IBM, který používá také Google a další společnosti, kóduje každý qubit v malém supravodivém obvodu. Aby byly kvantové počítače efektivní, musí qubity udržet svůj kvantový stav na dostatečně dlouhou dobu, potřebnou pro provedení výpočtu. Podle týmu IBM proto bylo klíčové věnovat úsilí i prodloužení životnosti qubitů.
Konkrétně zkoušeli simulaci časového vývoje určitého fyzikálního výpočtu stavu magnetizace dvourozměrného tělesa. Pro klasické superpočítače jde o velmi složitý výpočet, ovšem IBM použilo svůj procesor se 127 qubity s hloubkou 60 (tzn. až šedesát kvantových operací = bran za sebou). Takto hluboký obvod je za normálních okolností plný chyb a neposkytne žádný prakticky použitelný výsledek. Avšak tým IBM nasadil svou strategii potlačování chyb vzniklých vlivem šumu.
Chybový přístup
Podle autorů výsledky potvrzují výhody krátkodobé strategie IBM, jejímž cílem je šumy vzniklé v kvantových počítačích pouze korigovat, ne přímo bránit jejich výskytu. V dlouhodobějším horizontu IBM a většina dalších společností doufá, že přejdou na kvantovou korekci chyb, což je technika, která bude vyžadovat velký počet dalších qubitů pro každý datový qubit.
Někteří výzkumníci jsou však méně optimističtí, pokud jde o potenciál zmírnění šumu, a očekávají, že pouze kvantová korekce chyb umožní reálně využitelné výpočty, jež není možné provádět ani na největších klasických superpočítačích.
Eagle má 127 qubitů, IBM však očekává, že již letos představí svůj ještě výkonnější procesor: 1121qubitový čip Condor. Podle Jaye Gambetty, vedoucího oddělení kvantových technologií IBM, má společnost ve vývoji také „procesory pro praktické účely“ s až 4 158 qubity. Pro novináře dodal, že k dosažení dlouhodobějšího cíle vytvoření strojů schopných skutečné korekce kvantových chyb (tj. stroji s řádově 100 tisíci qubity) bude nutné ještě odstranit zásadní technické překážky.