O kvantových počítačích slýcháme už minimálně pár let. Ale co to je? K čemu je kvantový počítač? Dnes je to všechno o tom jednoduchými slovy.
Kvantová počítač je vynález, do kterého mnoho badatelů vkládá velké naděje a očekává, že bude mít pozitivní dopad na rozvoj vědy. Pochopit, jak funguje kvantová fyzika, je však velmi obtížné. Někteří fyzici dokonce pochybují, zda by se tak měly nazývat současné „kvantové počítače“. Největší překážkou ve využití kvantového počítání je velké množství chyb, které jsou ovlivněny i sebemenšími změnami v prostředí kvantových strojů. Potenciál kvantových bitů se nám zatím nepodařilo plně uspokojivě využít. Dnes se pokusíme zjistit, co je zvláštního na těchto velmi kvantových bitech?
Existují kvantové počítače?
Podstatou každého skutečného vědce je nevěřit a neustále kontrolovat. Právě na tato slova jsem si vzpomněl, když jsem byl ještě student. A nejednou se ujistil o správnosti této fráze. To platí i pro „kvantové počítače“. Proč jsem citoval název těchto počítačů? Pojďme to zjistit.
Kvantové počítače jsou velmi složité téma, ale pokusím se to co nejvíce zjednodušit a pohovořit o nich přístupně. I dnes mohou vědci, fyzici a inženýři debatovat o zdánlivě jednoduché otázce, zda někde na světě existuje fungující kvantový počítač. „Ale jak se koneckonců společnosti jako IBM chlubí kvantovými počítači!“ – řekne si možná někdo. A bude mít pravdu. Zůstává otevřenou otázkou, zda IBM skutečně vytvořila kvantový počítač, nebo své zařízení jednoduše nazvala „kvantovým počítačem“.
Když mě někdo z mých přátel požádá, abych mu jednoduchými slovy vysvětlil, jak se kvantové počítače liší od počítačů, na které jsme zvyklí, obvykle použiji jednoduché srovnání. Pokud naše klasické počítače (např PC, notebooky to chytré telefony) jsou svíčky, pak jsou kvantové počítače žárovky. Účel obou je stejný – u žárovek a svíček jde o vyzařování světla a u počítačů o výpočty. V obou případech je však cíle dosaženo zcela jinak a výsledek je jiný. Jednoduše řečeno, kvantový počítač není jen vylepšená verze moderních počítačů, stejně jako žárovka není jen větší svíčka. Žárovku nevytvoříte tím, že budete dělat svíčky stále lepšími. Žárovka je jiná technika, založené na hlubším vědeckém porozumění. Stejně tak je kvantový počítač novým typem zařízení založeného na kvantové fyzice, a stejně jako žárovka změnila společnost, mohou kvantové počítače ovlivnit mnoho aspektů našich životů, včetně bezpečnostních potřeb, zdravotní péče a dokonce i internetu.
Zůstaneme-li tedy u srovnání počítačů se žárovkami, pak se „kvantový Joseph Swan“ (tvůrce první funkční žárovky) ještě neobjevil a zatím se věda snaží, zjednodušeně řečeno, vyrobit "něco červeného a horkého" kontrolou, jak moc to svítí. Některé teoretické základy fungování kvantových počítačů známe, ale v jejich vývoji existují obrovské překážky, které stále čekají na své vyřešení.
Výzkumná centra a společnosti po celém světě provádějí další testy a výzkum a odborníci v oblasti kvantové fyziky se shodují, že vytvoření plně funkčních kvantových strojů, které můžeme použít k dosažení cílů, kterých je v této fázi nemožné dosáhnout, bude samozřejmě trvat desítky let. let.
Domnívám se, a mnozí vědci se mnou budou souhlasit, že stroje, kterým se v současnosti říká kvantové počítače, si takový název vůbec nezaslouží. Chybí jim schopnost provádět výpočty nebo řešit problémy, které nedokážeme vyřešit běžným, klasickým způsobem.
Ještě jsme nedosáhli takového stupně našeho technologického rozvoje, abychom byli schopni vytvořit kvantový stroj, který by řešil problémy, které jsou v současnosti klasickým počítačům nedostupné. Google nebo IBM samozřejmě mluví o některých či jiných provedených výpočtech, které by bylo obtížné provést klasickým způsobem, ale v tuto chvíli nejsou přesvědčivé.
Přečtěte si také: Čína také touží prozkoumat vesmír. Jak se jim tedy daří?
Co je to kvantum?
Co je to vlastně "kvantum"? Není to fyzický objekt. Termín „kvantový“ se ve fyzice používá k popisu nejmenšího možného zlomku něčeho. Takže můžete mít „kvantum síly“, „časové kvantum“ nebo „částicové kvantum“. Po této cestě dojdeme k pojmům jako „kvantová fyzika“ a „kvantová mechanika“, tedy vědní obory zabývající se co nejmenšími interakcemi či systémy – na úrovni atomů a dokonce i jednotlivých kvarků.
A nyní jsme se dostali ke qubitu (kvantovému bitu), tedy k „nejmenší a nedělitelné jednotce kvantové informace“. Zároveň se také dostáváme k prvnímu bodu, který vypovídá o podobnostech a rozdílech v tom, jak klasické počítače (pomocí bitů) a kvantové počítače (pomocí qubitů) provádějí výpočty.
V klasických počítačích je každá informace uložena jako sekvence jedniček a nul. Tyto informace jsou vnímány a interpretovány počítačem, konzolí, chytrým telefonem, chytré hodinky to chytrá televize, podobně jako operace, které se provádějí s těmito informacemi. Ať už se díváme na fotky z dovolené, chatujeme s přáteli, hrajeme nejnovější hru nebo provádíme pokročilé kryptografické výpočty, vše se děje v binárním systému, kde jsou 0 nebo 1 a nic jiného. Vlastně je to spíš klasické ano nebo ne.
Jak neefektivní tento systém je, lze vidět, když dosáhneme jeho limitů. A ať už nám v chytrých telefonech dojde místo pro další selfie, nebo se vědci pokoušejí vytvořit matematické modely vývoje pandemie, problém je v tom, že nul a jedniček je příliš mnoho a zdrojů k jejich uložení a výkonu vypočítat je nejsou k dispozici.
Qubit tento problém řeší. Tato informace využívá vlastnosti kvantové fyziky, které jí umožňují zůstat v takzvané superpozici. Qubit může nabývat libovolné hodnoty mezi 0 a 1. Má vlastnosti celého spektra a může mít hodnoty jako 15 procent nula a 85 procent jedna. Teoreticky to umožňuje uložit mnohem více informací nebo urychlit výpočty. Zároveň ale vzniká spousta problémů, které je těžké kontrolovat a dokonce i pochopit.
Další vlastností kvantových počítačů, která umožňuje dodatečné škálování výpočetního výkonu, je použití kvantového provázání. Jedná se o stav, kdy jsou dva qubity vzájemně propojeny a pokaždé, když jeden z nich pozorujeme, bude druhý v naprosto stejném stavu. Zapletení umožňuje seskupování qubitů do ještě efektivnějších jednotek pro záznam a zpracování informací.
Přečtěte si také: Kdo jsou biohackeři a proč se dobrovolně čipují?
Kvantové vybavení
Kvantový počítač se skládá ze tří hlavních částí: oblasti pro ukládání qubitů, metody pro přenos signálů do qubitů a klasického počítače pro spouštění programu a odesílání instrukcí.
Kvantový materiál, který tvoří qubity, je jemný a extrémně citlivý na vlivy prostředí. U některých metod ukládání qubitů je jednotka, ve které jsou qubity uloženy, udržována na teplotě blízké absolutní nule, aby se maximalizovala jejich koherence. Jiné typy úložiště qubitů používají vakuovou komoru k minimalizaci vibrací a stabilizaci qubitů.
Existují různé způsoby přenosu signálů do qubitů, jako jsou mikrovlny, lasery a elektrické napětí.
Aby bylo možné zavést normální provoz kvantových počítačů, je nutné vyřešit mnoho problémů. Velkým problémem kvantových počítačů je oprava chyb a škálování (přidávání dalších qubitů) dále zvyšuje jejich frekvenci. Kvůli těmto omezením je kvantový osobní počítač na vašem stole stále vzdálenou budoucností, ale komerční kvantové počítače mohou být dostupné v blízké budoucnosti. Promluvme si o tom podrobněji.
Problémy kvantových počítačů
Kvantové počítače však mají jeden obrovský problém. To znamená, že vědci mají s jejich využitím obrovský problém, protože díky svým speciálním vlastnostem potřebují qubity dostatečně klidné prostředí, aby z nich dokázaly přesně vyčíst jakákoli data. Každé, i sebemenší porušení znemožní přesné čtení informací.
V případě klasických počítačů sehrál podobný problém v minulosti také důležitou roli, dnes je však natolik nepodstatný, že je často opomíjen i v akademické vědě. Mluvíme o chybovosti. Je to indikátor, který určuje, jaký podíl bitů nebo qubitů informací může být poškozen. To se může stát například v době přepětí nebo jiných poruch.
U klasických zařízení je pravděpodobnost chyby přibližně jedna až 1017 bit V případě kvantových počítačů je to stále jeden z několika stovek. A to v situaci, kdy kvantové počítače pracují v nejizolovanějších podmínkách a při teplotě -272 stupňů Celsia, tedy lehce nad absolutní nulou. Jakékoli kolísání teplot, změny elektromagnetického pole a dokonce i pohyb celý výpočet ničí.
Dalším problémem je „nestabilita“ kvantových stavů. Pokaždé, když měříme nebo chceme narušit kvantový stav, vrátí se do jedné ze dvou poloh, nula a jedna. V tomto případě se kvantový stav rozpadne. Tento proces se nazývá kvantová dekoherence.
Představte si to takto: kvantový počítač je zručný matematik, který provádí složité výpočty a jeho výsledky se pohybují mezi 0 a 1 milionem. My jsme zase dítě, které chápe jen to, že něčeho může být moc nebo málo. Kdykoli by matematik mohl mít různé výsledky, například 356 670,23 nebo 1 846 662, podle našeho chápání světa by každý z těchto výsledků byl klasifikován jako málo (0) nebo mnoho (1), aniž by mezi nimi byl definován konkrétní rozdíl. Toto je kvantová dekoherence. Jediný způsob, jak provést správný výpočet, je zaručit matematickou práci před jejím dokončením.
Přečtěte si také: Co udělá vytrvalost a vynalézavost na Marsu?
K čemu budeme kvantové počítače využívat?
Dnes se nabízí otázka, k čemu se dají kvantové počítače využít, stejně jako před 20 lety, k čemu se dá využít chytrý telefon. Samozřejmě již existují nějaké plány a předpoklady, ale nejzajímavější směry využití qubitů se pravděpodobně ukážou, až se kvantové počítače rozšíří.
Kryptografie je jedním z nejoblíbenějších oborů, kde se kvantové výpočty využívají nejčastěji. Jde o to, že půjde o metodu přenosu informací velmi bezpečným způsobem a bezpečnost není založena na složitosti výpočetních procesů, ale na fyzikálních zákonech, které dávají jistotu, že určité věci jsou prostě nemožné. A v tuto chvíli to nebude možné poslouchat, špehovat, hackovat.
Bezpečnost je v tomto případě zaručena samotnými fyzikálními vlastnostmi qubitů, které, jak jsem již dříve vysvětlil, přestávají vykazovat superpoziční rysy, jakmile jsou pozorovány. Jakýkoli pokus zachytit nebo dokonce zkopírovat zakódovanou zprávu ji jednoduše zničí.
Kvantové počítače nám také mohou umožnit lépe porozumět přírodním procesům. „Chaos“ superpozice mnohem lépe odráží způsob například mutací v DNA, a tedy i vývoj nemocí a evoluce. Kvantové výpočty se již dnes používají k výrobě nových léků.
Možná má smysl mluvit o využití kvantových počítačů pro teleportaci dat. Ano, přesně teleportace dat a možná i osoby. Budeme schopni teleportovat informace z místa na místo, aniž bychom je fyzicky přenášeli. Zní to jako fantazie, ale je to možné, protože tato tekutost kvantových částic se může zaplést do času a prostoru, takže změna jedné částice může ovlivnit druhou, a to vytváří kanál pro teleportaci. To již bylo prokázáno v laboratořích a mohlo by to být součástí kvantového internetu budoucnosti. Takovou síť zatím nemáme, ale někteří vědci už na těchto možnostech pracují a simulují kvantovou síť na kvantovém počítači. Již vyvinuli a implementovali zajímavé nové protokoly, jako je teleportace mezi uživateli sítě a efektivní přenos dat, a dokonce i bezpečné hlasování.
Je třeba také říci, že kvantové počítače by měly sloužit k simulaci různých situací a hledání řešení problémů, včetně léků a vakcín. Například během pandemií, jako je koronavirus, kdy je potřeba rychlejší výpočet a výpočet možností. Zde můžete využít možnosti kvantového modelování, které nelze provést na klasickém počítači. Když se objeví nová nemoc, proces hledání léku trvá asi 15 let a může stát až 2,6 miliardy dolarů. U některých nemocí je nutné profiltrovat miliony molekul, abychom identifikovali pouze stovky nadějných jedinců, kteří se pravděpodobně stanou dárci. Během testování pak přibližně 99 % molekul odpadne, mimo jiné kvůli špatné predikci chování a omezením vzorkování. Zde by se kvantové počítače dostaly do popředí.
A to jsou stále jen některé z úžasných myšlenek toho, čeho lze dosáhnout pomocí kvantové fyziky. V současné době se nám daří do jisté míry zkrotit její vrtošivý charakter, ale veškerý vývoj je stále na počáteční úrovni. Vytvoření skutečného kvantového počítače a jeho masové uplatnění je ještě poměrně daleko, ale pokrok nestojí na místě. Proto možná za nějakých deset let budete tento článek číst pomocí kvantového počítače a budete se blahosklonně usmívat.
Přečtěte si také:
Çoch sağ olun, muellimin bize moderní paměťová zařízení