Kvantové počítače: Ako sú ďaleko?

Kvantové počítače podnecujú fantáziu vývojárov už mnoho rokov. Potenciálna možnosť rýchlo vykonávať nepredstaviteľne náročné výpočty, ktorých riešenia by na bežných počítačoch trvali milióny rokov, je prísľubom dych berúcej budúcnosti. Ako vlastne tieto systémy fungujú a ako ďaleko je ich vývoj dnes?

Pokiaľ ste sa s termínom kvantový počítač stretli doposiaľ len okrajovo alebo vôbec, máte po prečítaní jeho označenia zrejme len hmlistú predstavu o tom, o čo vlastne ide. V základe ide o koncepčne výrazne odlišný druh počítača, ktorý pri svojej práci priamo používa javy kvantovej mechaniky. Jeho obrovská odlišnosť pritom nesúvisí s používateľským formátom počítačov (desktop, notebook, tablet, smartfón) a ani s ich základným hardvérovým konceptom (procesor, pamäť, radiče, zbernice, úložiská). Rozdiel tkvie v samotnom spôsobe narábania s informáciami. Súčasné počítače založené na tranzistoroch narábajú s informáciou v podobe binárnych digitálnych dát, tzv. bitov. Bit môže reprezentovať dva stavy, respektíve hodnoty v podobe 1 a 0. Z hľadiska fyzickej reprezentácie môže byť tento stav vytvorený otvorením a zavretím nejakého prvku, nabitím a vybitím, či vodivosťou a nevodivosťou. Kvantový počítač naproti tomu používa jednotky informácie označované ako qubit (čítané ako kjúbit). Ide o skrátený názov pre kvantové bity (quantum bits), ktoré podobne ako bežné bity môžu reprezentovať stav 0 a 1. Okrem 0 a 1 však existuje ešte jeden špeciálny a veľmi zvláštny stav vyplývajúci z kvantovej mechaniky. Označuje sa ako kvantová superpozícia a informácia má pri nej hodnotu 0 aj 1 zároveň. Výsledkom je, že kvantový počítač nesie prvky nedeterministického a na pravdepodobnosti založeného stroja. Môže sa tak nachádzať vo viacerých stavoch súčasne.

Fyzikálne javy, ktoré pozorujeme vo svete elementárnych častíc, sú výrazne odlišné od javov, s ktorými sa bežne stretávame. To koniec koncov nie je až také prekvapujúce, pretože sa dá očakávať, že čím bližšie sa budeme blížiť k samotnej podstate reality, tým cudzejšia a zvláštnejšia sa nám bude zdať. V súčasných počítačoch sa zvláštne kvantové javy už dávno využívajú, pričom ako príklad môže slúžiť kvantové tunelovanie elektrónov pre nabíjanie hradla tranzistorov NAND flash (podrobnejšie v článku: Kam kráča vývoj SSD, PC REVUE 05/2014). Je dôležité si ale uvedomiť, že toto použitie je nepriameho charakteru. Kvantový jav sa totiž používa na manipuláciu s konvenčným prvkom. Ako vzdialenú paralelu môžeme uviesť auto s bežným spaľovacím motorom, ktoré naštartujeme vďaka autobatérii, čo však neznamená, že ide o elektromobil. Pokiaľ sa hovorí o kvantových počítačoch, myslí sa tým predovšetkým to, že kvantové javy sú priamo používané na samotný výpočet. Inak povedané, výpočet neprebieha s pravidlami obyčajného sveta, ktorý poznáme z každodennej skúsenosti, ale s pomocou pre nás čudesných pravidiel subatomárneho sveta. Využívajú sa pri tom najmä dve vlastnosti - kvantová superpozícia a kvantové previazanie.

Súčasné počítače pri výpočte postupujú v základe tak, ako ich priamy predchodca - abstraktný univerzálny turingov stroj, navrhnutý britským matematikom a otcom modernej informatiky Alanom Turingom v roku 1936. Takýto stroj sa nachádza vždy v nejakom konkrétnom stave a pri výpočte postupne prijíma externé vstupy, na ktoré reaguje prechodom do iného stavu. Riadi sa pri tom súpravou pravidiel. Systém si možno predstaviť ako nekonečne dlhú pásku rozdelenú na samostatné okienka. V každom okienku je pri tom 1 alebo 0. Dlhá rada týchto čísiel digitálne reprezentuje nejakú úlohu, respektíve zadaný problém. Turingov stroj je ako malý vozíček jazdiaci na páske, ktorý zastaví vždy nad jedným okienkom a prečíta ho. Má pritom vlastný zoznam pravidiel a stavov. Ak sa napríklad nachádza v stave 54 a políčko pod ním je 0, tak mu jeho pravidlá dajme tomu hovoria - zmeň svoj stav na 189 a posuň sa na políčko doľava. Stroj zmení svoj stav a posunie sa na vedľajšie políčko, na ktorom je takisto 0. Pravidlá mu následne hovoria. Ak je tvoj stav 189 a pod tebou je 0, prepíš ju na 1, zmeň svoj stav na 512 a posuň sa doľava. Tak pokračuje až dovtedy, dokým nedostane príkaz na zastavenie (napríklad, ak je tvoj stav 24 a pod tebou je 1, zastav sa). Na páske po ňom zostane upravený reťazec núl a jednotiek, ktorý reprezentuje vyriešený problém.

Kvantový počítač D-Wave je prvým komerčným riešením tohto druhu

Tento na pohľad jednoduchý koncept turingovho stroja je natoľko mocný, že akýkoľvek problém, ktorý je počítač schopný vyriešiť, by teoreticky malo byť možné vykonať týmto spôsobom. Zatiaľ sme ešte neprišli na efektívne vypočítateľnú funkciu, ktorá by sa nedala zadať do turingovho stroja. Riešenie zložitých problémov si môže vyžadovať veľké množstvo krokov a keďže chceme, aby výsledok dorazil v použiteľnom čase (napríklad za hodinu a nie za sto rokov), musíme stroj čo najviac zrýchliť. Rýchlosť samozrejme nijak neovplyvní neriešiteľné alebo nekonečné úlohy. Nekonečný je napríklad počet prvočísiel a turingov stroj môžeme nechať hľadať nové a nové prvočísla nekonečne dlhý čas. Kvantový výpočet je určitou výzvou tohto konceptu, pričom je na mieste otázka, či je kvantový počítač schopný niečoho, čoho turingov stroj nie. V základe sa však dá povedať, že kvantový počítač nedokáže „niečo" navyše. Môže však operácie vykonať vďaka efektivite skôr a to až v zdanlivo absurdnej miere.

Súčasné klasické počítače dokážu vykonávať miliardy operácií za sekundu, avšak nie je ťažké nájsť zadanie, ktoré im obrazne povedané poriadne podkúri. Ako príklad nám poslúži Problém obchodného cestujúceho. Koncepčne ide o jednoduchý problém, ktorý pozostáva z toho, že obchodník plánuje návštevu niekoľkých miest. Chce pritom svoju cestu navrhnúť tak, aby mu zabrala čo najmenej času a nikdy nemusel ísť do každého mesta dvakrát. Ak je napríklad v Banskej Bystrici a potrebuje navštíviť Košice, Bratislavu, Žilinu a Trenčín, tak je márnivé ísť napríklad najprv do Bratislavy, potom odtiaľ do Košíc a následne zas do Trenčína. Omnoho výhodnejšia je cesta do Bratislavy, Trenčína, Žiliny, Košíc a späť do Banskej Bystrice. Problém s piatimi mestami je veľmi jednoduchý a všetkých 24 možností si človek môže pokojne aj rozpísať a zistiť, ktorá cesta je najkratšia. S pribúdajúcimi mestami však nastane kombinatorická explózia. Pri 10 mestách už existuje 362 880 možných ciest. Pre počítač to pravdaže problém nie je. Aj bez použitia optimalizačných algoritmov (hrubou silou), mu skontrolovanie všetkých variantov netrvá dlhšie ako jednu milisekundu. Prakticky okamžite by nám teda ukázal, ktorá cesta je najkratšia. Pri 20 mestách však ide už o 120 biliárd (číslo so 16 nulami) kombinácií. Bežný počítač by to zvládal za približne 3 roky. Je jasné, že tu už nastáva problém a systém nie je na takýto komplexný výpočet dostatočne výkonný. Na teoretický vrchol pritom stačí 28 miest. Ide totiž už o 10²⁸ kombinácií a pri klasickej rýchlosti 10 miliardách operácií za sekundu by nám na výpočet nestačil ani súčasný 13,8 miliardový vek vesmíru.

Situácia s problémom obchodného cestujúceho dobre ukazuje to, ako môže komplexnosť systému náhle narásť natoľko, že kompletný výpočet je na bežných počítačoch prakticky nevykonateľný. Obdobných problémov pritom môžeme nájsť nespočetné množstvo. Ak sa vám zdá problém s mestami málo vznešený, pokojne si ho zameňte za komplexné simulácie proteínov pri vývoji liekov a štúdiu chorôb. Zvládol by „mega" problémy tohto druhu kvantový počítač? Má sa za to, že áno a to dokonca v krátkej dobe. Nie však preto, že by bol o toľko rýchlejší z hľadiska počtu operácií za sekundu. Skôr sa naopak očakáva, že z tohto hľadiska bude značne pomalší. Problém by dokázal vyriešiť z celkom iného dôvodu. Nepotreboval by naň také obrovské množstvo samostatných krokov. Akoby zázrakom by sa v nich totiž už nachádzal.

Kvantová čudesnosť

Informácia ako taká potrebuje svoj nosič a pri klasickom počítači sa na nesenie binárnej hodnoty 0 alebo 1 používa tranzistor. V prípade kvantového počítača, ktorého informácie sa nachádzajú v stave 0, 1 alebo superpozície oboch, je nutné použiť nosič, ktorý sa riadi zákonitosťami kvantovej mechaniky. Ide napríklad o fotón alebo elektrón. Elektróny majú magnetické pole a zjednodušene tak pripomínajú strelku magnetu, kde jedna strana ukazuje na sever a druhá na juh. Ak ich umiestnime do magnetického poľa, zarovnajú sa v jednom smere, ktorý označujeme ako dolný spin (spin down). Elektrón ako taký sa neotáča a vnímame ho ako bodovú elementárnu časticu, avšak toto prirovnanie je z dôvodu podobnosti veľmi vhodné. Dovoľuje nám totiž vytvoriť si predstavu o objekte, ktorého podstatu inak nedokážeme intuitívne zachytiť. Podobne ako strelku kompasu môžeme násilne otočiť prstom, aj spin elektrónu môžeme po dodaní energie zmeniť na opačný horný spin (spin up). Elektrón môže mať spin hore alebo dole a môže preto reprezentovať hodnotu tak ako klasický bit. Stačí teda elektrón odmerať a jeho spin identifikovať. Ak je hore, nesie informáciu v podobe 1, ak dole, nesie 0.

Vnútro počítača D-Wave Two. Kryogenická chladiaca kaskáda zhora klesá až k filtračnému valcu, pod ktorým je v najspodnejšej časti umiestnený kvantový procesor

Tu sa objavuje daná zvláštnosť v podobe superpozície. Elektrón sa totiž môže nachádzať aj v stave, pri ktorom má obe hodnoty zároveň. Podmienkou je, že sa naň nikto nesmie pozerať. Znie to zvláštne, ale treba si uvedomiť, že v takýchto rozmeroch pozorovanie znamená nutnosť interakcie. V bežnom svete vidíme predmety tak, že sa od nich odráža obrovský zástup fotónov svetla putujúcich do nášho oka. Situácia sa zmení v subatomárnom svete, pretože ak chceme vidieť napríklad jeden samotný fotón, je jasné, že akákoľvek zrážka iného fotónu s ním ho poriadne ovplyvní. Nepozorovať elektrón z hľadiska jeho spinu znamená „nechať ho na pokoji". Predstavte si ho ako malú škatuľku, v ktorej je ukryté číslo 1 alebo 0. Pokiaľ škatuľku neotvoríte a nenazriete do nej, zostane v superpozícii a nesie hodnotu 1 aj 0 súčasne. V okamihu, ako ju ale otvoríte, donútite ju sa rozhodnúť a číslo náhodne dostane trvalú podobu 0 alebo 1. Možno vám napadne, že to znie ako podvod. Normálne je myslieť si, že škatuľka má 1 alebo 0 v sebe už od začiatku a len o tom nevieme, alebo nemá žiadne číslo a dostane ho až náhodne po otvorení. Určite nemá obe naraz. Ak v miestnosti vyhodíme roztočenú mincu do vzduchu a zhasneme svetlo, dozvieme sa výsledok až po rozsvietení. Počujeme ako minca dopadne na podlahu a vieme, že v základe je 50 % šanca, že pristála číslom hore a rovnako 50 % šanca, že číslom dole. Po rozsvietení zistíme, aký je stav v skutočnosti, ale vieme, že v ňom minca existovala už po dopade. V žiadnom prípade neležala smerom hore aj dole zároveň a až pri zasvietení sa rozhodla, čo je pravda. Celkom prirodzene si pomyslíte, že to isté platí aj pre elektrón a jeho spin je hore alebo dole. Stav zistíme, až keď sa naň pozrieme, avšak elektrón ako taký bol v tomto stave už pred tým. So svojim názorom nie ste sami a takto sa k problému stavalo v prvej polovici 20-teho storočia množstvo fyzikov, vrátane Alberta Einsteina. S pokrokom v obore kvantovej mechaniky sa však ukázalo, že to nie je pravda. Superpozícia je reálna a obsahuje oba stavy zároveň.

To, ako superpozícia môže byť využívaná, sa ukáže až pri použití viacerých qubitov zároveň. Systém dvoch klasických bitov môže nadobudnúť štyri stavy (00, 01, 10, 11). Vždy však len jeden z nich a na výsledný popis reálnej hodnoty nám preto stačia dve čísla. Hodnota toho prvého a hodnota druhého. Viac vedieť nepotrebujeme. Dva qubity (reprezentované napríklad dvoma elektrónmi) je ale možné vzájomne kvantovo previazať, čo má zvláštne dôsledky. Qubity môžu mať spoločnú hodnotu 00 a 11, avšak hodnoty 01 a 10 sa zahaľujú do superpozície. Stav 01 a 10 nie je pri kvantovom previazaní ich prirodzený stav. Môžeme ich do jedného alebo druhého stavu donútiť „odhalením", avšak prirodzene existujú v superpozícii oboch stavov zároveň. Presnejšie povedané, stav dvoch elektrónov je opačný vzájomne k sebe, ale sami o sebe spin hore alebo dole nemajú. Ak extrahujeme kompletnú informáciu z dvoch previazaných qubitov, dostávame štyri koeficienty. Inak povedané, dva qubity obsahujú kvôli svojej komplikovanej povahe až štyri bity informácií. Tri previazané qubity tak budú mať až osem možných stavov (2³) a na ich kompletný popis bude potrebná osem bitová informácia. Sila takéhoto umocňovania sa okamžite prejaví pri ďalšom zvyšovaní počtu qubitov. Ak by sa nám podarilo vytvoriť systém z 300 vzájomne previazaných qubitov, počet ich možných stavov by bol 2³⁰⁰, čo je viac, než počet atómov v celom vesmíre. Tieto možné stavy vyplývajúce z kvantovej superpozície a previazania, sa ale neprevtelia do výstupu. Pri „odhalení" má totiž qubit už vždy len jednu konkrétnu podobu - 0 alebo 1. K čomu to teda vlastne všetko je?

Predstavte si, že ste v budove so 100 prázdnymi miestnosťami. V niektorej miestnosti je umiestnená stolička a vy ju potrebujete nájsť. Začnete tak prechádzať jednu miestnosť po druhej, až kým ju nenájdete. Ste rýchli, takže skontrolovanie jednej miestnosti vám trvá len sekundu. Reprezentujete tak klasický počítač, ktorý miestnosti prehľadáva jednu po druhej. Naproti tomu konkurenčný kvantový bežec je značne pomalší ako vy a trvá mu 10 sekúnd, kým sa po miestnosti poriadne rozhliadne a zhodnotí, či v nej stolička je alebo nie je. Zdá sa vám teda, že vás prakticky nemôže poraziť. Problémom je, že kvantový bežec existuje v superpozícii. Nie je tak len v jednej miestnosti. Nachádza sa vo všetkých miestnostiach zároveň. Stoličku tak nájde za 10 sekúnd, nech je kdekoľvek. Ak ste v budove s piatimi miestnosťami, viete, že budete zakaždým rýchlejší a stoličku nájdete prvý. Ak ste ale v budove so sto či miliónom miestností, vaša možnosť víťazstva je mizivá. Kvantový bežec síce fyzicky skončí vždy len v jednej miestnosti, tak ako vy, lenže vždy v tej správnej.

Vývoj kvantového počítača

Idea kvantového výpočtu sa začala objavovať na prelome 70 a 80-rokov minulého storočia. Medzi najznámejšie rané práce na túto tému patrí abstraktný model fyzika Richarda Feynmana, ktorý v roku 1982 teoreticky ukázal, ako môže byť kvantový systém použitý pre výpočet. Rovnako pritom vyslovil predpoklad, že funkčný kvantový počítač by mohol zároveň fungovať ako priamy simulátor kvantovo-mechanických javov. O ďalšie významné rozšírenie týchto myšlienok sa v roku 1985 postaral britský fyzik David Deutsch, ktorý navrhol prvý abstraktný univerzálny kvantový turingov stroj a položil základy pre model kvantového obvodu. Spoločne s austrálskym matematikom Richardom Jozsom vytvoril v roku 1992 jeden z prvých kvantových algoritmov (Deutsch-Jozsa algoritmus), ktorý je exponenciálne rýchlejší, než akýkoľvek možný klasický deterministický protiklad. Pozornosť vzbudil najmä faktorizačný algoritmus matematika Petra Shora (tzv. Shorov algoritmus), ktorý po svojom publikovaní v roku 1994 naštartoval významný záujem o kvantové výpočty aj mimo odbory matematiky a fyziky. Tento kvantový algoritmus by totiž mohol byť potenciálne použitý na prelomenie rôznych druhov šifrovania s verejným kľúčom. Typickým príkladom je RSA šifra, ktorá je prelomiteľná teoreticky, ale nie prakticky. Prelomenie jej silnej podoby by totiž na bežných počítačoch trvalo v závislosti od zložitosti roky, milénia či eóny. Kvantový počítač by to však mohol dokázať už behom niekoľkých minút. Na začiatku 21. storočia sa o ďalšie popohnanie vývoja z teoretickej stránky postarali najmä adiabatické kvantové algoritmy.

Horná časť kryogenického systému počítača D-Wave Two, ktorá chladí procesor na dve desatiny stupňa nad absolútnou nulou

Dôkaz fungovania kvantového počítača z hľadiska algoritmov, matematických a kvantových princípov je jedna vec, jeho fyzické postavenie vec druhá. V ceste za výkonným kvantovým počítačom stojí niekoľko obrovských prekážok, ktorých riešenie si bude vyžadovať veľký pokrok z teoretickej aj technologickej stránky. Medzi tie najväčšie problémy patrí dekoherencia a kvantová oprava chýb. Pri manipulácii alebo ukladaní akýchkoľvek digitálnych dát, dochádza nevyhnutne ku chybám, pričom príčinou môže byť napríklad rušenie prenosu, či zlyhanie materiálov v úložisku. Je samozrejme nešťastné, ak sa v zástupe dôležitých digitálnych dát objaví drobná chyba, je preto nutné ju detegovať a prípadne aj opraviť. V rámci klasických počítačov existuje niekoľko možností riešenia, pričom medzi najznámejšie patrí vytvorenie kontrolného súčtu. Typickým príkladom je kontrola cyklickým kódom (CRC). Kontrola chýb je obrovským problémom pri kvantových počítačoch, nakoľko qubity môžu informáciu uchovávať aj v rámci superpozície. Pri klasických bitoch si hodnoty 0 a 1 jednoducho prečítate a porovnáte s kontrolným súčtom. Ak sa ale pokúsite prečítať obsah qubitu, dôjde k zrušeniu jeho superpozície a namiesto oboch stavov dostane definitívne hodnotu 0 alebo 1. Priebeh kvantového výpočtu tak zničíte. Kontrola nepoškodenosti qubitov teda musí byť vykonaná nejakým iným spôsobom, ktorý by nezahŕňal čítanie ich hodnoty.

Poškodiť dátovú hodnotu qubitov je pritom veľmi ľahké. Superpozíciu nezničíme len my, ak sa qubit pokúsime prečítať. Rovnakým ničiteľom môže byť iný externý vplyv, ktorý s qubitom interaguje. Ide o dekoherenciu, teda akúsi prirodzenú a nevyhnutnú stratu kvantového stavu (v podobe superpozície) z dôvodu interakcie elektrónu či iného reprezentanta qubitu s okolím. Pokročilý kvantový počítač v pravom slova zmysle tak musí byť čo možno najviac odstrihnutý od okolitého sveta. Vo výsledku skončíte so skrinkou vykonávajúcou „zázračné" veci, ale nikdy vám nebude umožnené do nej nazrieť. Kým v klasickom počítači sa môžete pozerať na kompletný proces výpočtu, a dokonca ho bez ovplyvnenia výsledku aj zaznamenávať, tak v prípade kvantového počítača to neplatí. Jeho proces výpočtu musí zostať navždy skrytý. Kvantový počítač môžeme vytvoriť, programovať, vkladať do neho vstup a čítať jeho výstup, ale jeho vnútorný proces, teda priebežné stavy a kroky, ktorými došiel k výsledku, zostanú tajomstvom. O správnosti jeho výsledku pritom nemusí byť pochýb, pretože ak by sme ho napríklad použili na prelomenie šifry, bude jasné, či k prelomeniu došlo alebo nie. Odtienenie kvantového počítača je nesmierne náročné a zachovanie jeho dlhodobej prevádzky (viac ako pár milisekúnd) je veľkou výzvou.

Prvé experimentálne úspechy s fyzickými systémami sa udiali v polovici 90-tych rokov minulého storočia. V roku 1995 vykonal Kalifornský technický inštitút (Caltech) a americký Národný inštitút technológii (NIST) prvé experimenty s tienením kvantového systému od externých vplyvov. Elektricky nabité častice uväzňovali v silnom magnetickom poli, kde ich chladili na teploty blízke absolútnej nule. Táto metóda bola použitá na vytvorenie niekoľkých qubitov, ktoré však strácali svoj kvantový stav veľmi rýchlo. V roku 1996 vývojový tím Kalifornskej univerzity, Massachusettskej technickej univerzity, Harvardovej univerzity a spoločnosti IBM dokázal vytvoriť jednoduchý kvantový počítač zložený z dvoch qubitov pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie. Táto metóda je vhodná pre manipuláciu s kvantovou informáciou v kvapalinách, pričom dva qubity boli vytvorené vo vnútri chloroformu. Tím sa pritom pokúsil s dekoherenciou bojovať tak, že dvojicu previazaných qubitov reprezentovali opakovane veľkým množstvom molekúl, čo znížilo rozsah poškodenia systému externými vplyvmi. Triviálna dvojbitová funkčnosť systému bola demonštrovaná vstupom v podobe rádiových pulzov, ktoré v základe plnili ideu vykonávaného programu.

Chladiaca kaskáda (v centre) a dátová kabeláž smerujúca k procesoru. Čím nižšie poschodie, tým nižšia teplota

V roku 1998 sa na univerzite v Oxforde podarilo prvýkrát vyriešiť jednoduché programové zadanie (systém tvorili dva qubity), čím sa experimentálne potvrdila základná funkčnosť kvantových počítačov. Ešte v priebehu toho roku sa podarili experimenty aj s previazanými troj-qubitovými systémami. Najväčší úspech sa ale podaril tímu Massachusettskej technickej univerzity a amerických Národných laboratórií v Los Alamos, ktorý dokázal magnetickou rezonanciou roztiahnuť kvantovú informáciu jedného qubitu na tri samostatné molekuly alanínu. Systém tak bol menej náchylný na poškodenie a hlavne, bolo možné študovať jeho vlastnosti. Ako sme už spomenuli, priame meranie stavu qubitu zničí superpozíciu, ktorá sa zmení na stav 0 alebo 1. Kontrolovať qubity skôr, ako počítač dokončí výpočet, je teda neželané a deštruktívne. Roztiahnutie na tri molekuly však vývojárom umožnilo analyzovať vlastnosti previazania a skontrolovať, či je medzi všetkými troma molekulami rovnaké. Neodhalili pritom aký spoločný spin majú a preto sa superpozícia nezničila. Táto technika vôbec po prvýkrát demonštrovala možnosť opravy chýb kvantového počítača a vliala nádej do celého odvetvia.

1. 1. V roku 2000 sa podarilo sfunkčniť systém piatich previazaných qubitov na Technickej univerzite v Mníchove a sedem qubitov v Národných laboratóriách v Los Alamos (oba pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie). V roku 2001 sa tímu IBM a Standfordovej univerzity podarilo na jednoduchom kvantovom počítači spustiť po prvýkrát Shorov algoritmus, ktorý sa použil na faktorizáciu čísla 15 s použitím jedného trilióna identických molekúl (10¹⁸). V rokoch 2001 až 2003 sa začali objavovať prvé úspešné pokusy s optickými kvantovými systémami, používajúcimi fotóny. V roku 2005 sa objavili prvé úspešné pokusy s ôsmimi a roku 2006 s dvanástimi qubitmi. V roku 2007 sa objavil prvý funkčný 28 qubitový počítač Orion, ktorý vytvoril výskumný tím spoločnosti Šlo o prvé verejné predvedenie kvantového počítača, i keď jeho schopnosti boli z hľadiska využívania kvantových javov pre výpočet skutočne len čiastočné. Počítačom od D-Wave sa budeme venovať ešte samostatne, nakoľko v posledných rokoch budia najväčšiu pozornosť medzi laickou verejnosťou. Dôležitý pokrok sa podaril v roku 2009 v súvislosti s výrazným predĺžením životnosti qubitov. Kým dovtedy bolo bežné, že vďaka samovoľnému kontaktu s okolím strácali qubity svoju kvantovú povahu behom jednej milisekundy, tak tímu amerického Národného technologického inštitútu (NIST) sa podarilo qubity vytvorené z iónov berýlia odtieniť pomocou špeciálnych magnetických pulzov a predĺžiť ich kvantovú povahu na 100 milisekúnd, teda desatinu sekundy. V roku 2012 sa tímu z Harvardovej univerzity podarilo pomocou laseru predĺžiť čas koherencie qubitov (z atómov uhlíka) na dve sekundy. Ďalšieho pokroku v tomto smere sa podarilo dosiahnuť v roku 2013 na kanadskej Univerzite Simona Frasera. Tím výskumníkov vytvoril qubity v rámci kremíkovej vrstvy obohatenej o 10 miliárd iónov fosforu, z ktorých každý vytvoril nepreviazaný, teda samostatný qubit. Pri teplote ‑269 °C sa qubity udržali v koherentnom stave 3 hodiny, zatiaľ čo pri ich transporte do izbovej teploty 25 °C dokázali udržať dáta 39 minút (i keď úvodný transport prečkalo len 37% z nich).

D-Wave a jej kvantový počítač

V súčasnosti je odbor kvantových počítačoch stále ešte v plienkach. Teoretické modely sú zatiaľ overované na veľmi malom množstve qubitov, pričom budovanie univerzálneho kvantového počítača je mimoriadne náročná úloha, ktorá si ešte bude vyžadovať niekoľko desaťročí dlhý výskum. Kvantový počítač si v súčasnosti netreba predstavovať ako niečo, čo je už skutočne za dverami. Od prvých experimentálnych počiatkov s kvantovými výpočtovými systémami ubehlo 20 rokov a na situáciu sa dá nazerať optimisticky. Tento raný vývoj má na konte prvé úspechy s niekoľkými previazanými qubitmi, schopnými základných aritmetických operácií a zoraďovania dát. Každý rok sa pritom objaví niekoľko významných prác, ktoré sa zaoberajú nejakou novou metódou vytvárania qubitov, ich ovládania alebo ich tienenia z dôvodu udržania koherencie.

Spodná časť konštrukcie so základnou doskou a kvantovým procesorom. Vľavo prikrytý kryogenickým chladením, vpravo detail po jeho odobratí

Z dojmu raného vývoja a pionierskych úspechov sa na prvý pohľad vymyká spoločnosť D-Wave, ktorá ponúka historicky prvý kvantový počítať pre komerčné použitie. Vyslúžil si značnú pozornosť médií, ale situácia okolo neho je trochu komplikovanejšia. Ako sme spomenuli v úvode článku, označenie „kvantový počítač" je trochu hmlisté a svojim spôsobom zaň môžu byť považované aj súčasné počítače, nakoľko kvantové javy sa v ich tranzistoroch používajú. Základom pravého kvantového počítača však je, že kvantové javy sa používajú priamo v rámci výpočtových operácií. Existuje však niekoľko úrovní takéhoto použitia. Kým túžby väčšiny vývojárov sa upierajú k tým najkomplexnejším, ktoré umožnia skonštruovanie plnohodnotného kvantového počítača so všetkými jeho výhodami, niektorí sa vybrali smerom k ľahším čiastočným systémom, ktoré sa dajú chápať ako akýsi medzikrok. Práve do druhej skupiny patrí spoločnosť D-Wave a v rámci odvetvia existuje vášnivá debata o tom, či vôbec jej počítače možno označovať ako kvantové. Najnovšie štúdie expertov sa však prikláňajú k tomu, že označenie je aspoň čiastočne oprávnené.

Spoločnosť D-Wave bola založená v roku 1999 vývojármi z Univerzity Britskej Kolumbie (Vancouver, Kanada), ktorí začali hľadať spôsob, ako základné kvantové počítače úspešne vyrábať na komerčnej úrovni. V roku 2007 spoločnosť zaujala prvým funkčným prototypom 28 qubitového počítača Orion a v roku 2011 prvým komerčne dostupným kvantovým počítačom D-Wave One. Jeho srdcom bol 128 qubitový procesor, schopný základných matematických operácií. Počítač sa predával za 10 miliónov dolárov a jeho prvým kupcom sa stala spoločnosť Lockheed Martin, ktorá patrí medzi najvýznamnejších vývojárov zbraňových systémov a letecko-kozmických technológií v USA. V roku 2013 predstavila spoločnosť vylepšený model D-Wave Two s 512 qubitovým procesorom, ktorý putoval do laboratórií Googlu, NASA a ďalších spoločností a organizácii (za cenu 15 miliónov dolárov). Exteriér aj interiér počítača si môžete pozrieť na obrázkoch. Okrem obvodovej konštrukcie, ktorá zabezpečuje čiastočné odrušenie, chladenie, ventiláciou a ostatné prvky, je najzaujímavejšia bezpochyby valcová časť visiaca zo stropu. Počas prevádzky je kompletne zakrytovaná tieniacim materiálom a vyzerá ako valcové potrubie. Jednotlivé poschodia jej konštrukcie sú chladiacou kaskádou, na ktorej postupne klesá teplota smerom k dolnej časti. Medený valec pri spodku je silný filtračný systém pre dátový vstup a výstup a najspodnejší prvok je základná doska s kvantovým procesorom (pozri detail). Chladiaca kaskáda chladí procesor, respektíve jeho qubity na dve desatiny stupňa Celzia nad absolútnou nulou (-273,35). Stroj používa supravodivý qubit, ktoré firma označuje ako SQUID. Ide o ekvivalent ku klasickým tranzistorom, pričom sa však vo veľkom uplatňuje špecifický Josephsonov jav, ktorý súvisí so supravodivosťou. Každý qubit je tvorený sústavou fyzických slučiek, vytvorených z kovu. Konkrétne je použitý niób. Slučka sa pri ochladení tesne nad absolútnu nulu zmení na supravodič, pričom elektróny prúdiace v ňom môžu byť nastavené na horný alebo dolný spin, prípadne na superpozíciu. Výraznou slabinou systému je neprítomnosť korekcie chýb. Stroj tak produkuje veľké množstvo chybných výsledkov a len na základe pravdepodobnosti je možné vyvodzovať správne výsledky pri veľkom opakovaní jednotlivých procesov.

Rôzne výskumné tímy s počítačmi D-Wave One a Two vykonali množstvo úspešných experimentov, pričom boli počítané napríklad skladania proteínov. Vo väčšine testov však stroj nepreukázal žiadne zrýchlenie výpočtov oproti klasickým počítačom. V niektorých úlohách šitých na mieru (špeciálne optimalizačné úlohy) síce dosiahol niekoľko tisíc násobné zrýchlenie (v teste bol postavený proti siedmim klasickým počítačom s procesormi Intel Xeon X5550), avšak podobnú rýchlosť by bolo možné dosiahnuť aj na špeciálne navrhnutých klasických počítačoch. Objavili sa vážne pochyby, či vôbec počítač počíta kvantovo. V marci 2014 uverejnili porovnávaciu štúdiu vývojári z University College London a z Univerzity v južnej Karolíne, pričom ukázali, že kvantový model pasoval na priebeh výpočtu lepšie, ako vysvetlenia založené na klasickej fyzike. Štúdia z júna minulého roku, vypracovaná Švajčiarskym federálnym technologickým inštitútom, však poukázala na to, že počítač neprodukuje žiadne zrýchlenie zo svojej miernej kvantovej povahy. To môže byť spôsobené napríklad nevhodnou architektúrou alebo neúčinnosťou tohto špecifického riešenia. Na druhú stranu je ale možné, že k zrýchleniu dochádza, avšak navonok sa to neprejavuje z dôvodu vysokej chybovosti.

V súčasnosti sa ešte nedá povedať, či bude smer, ktorým sa vybrala spoločnosť D-Wave, úspešný. Jej počítače sú v ranom štádiu a v nasledujúcich piatich či desiatich rokoch sa môže na výkonnejších modeloch ukázať, že ide o trend hodný nasledovania. Okrem toho pokračuje vývoj plnohodnotných kvantových počítačov s prítomnou opravou chýb. Výskumníci však dokážu pracovať v súčasnosti len s približne desiatimi previazanými qubitmi. Skutočné zázraky sa pritom dajú očakávať s počtom vyšším o niekoľko rádov. Pokiaľ by počet qubitov stúpal podľa Moorovho zákona, tak stoviek miliónov qubitov by sme sa mohli dočkať o 20 až 30 rokov. Prielomy sa však málokedy riadia postupným kalendárom a obvykle vykazujú veľké skoky.

Treba si takisto uvedomiť, že idea kvantového počítača nie je popoháňaná tým, že by niekto vytváral priameho nástupcu klasických počítačov. V úlohách, na ktoré používame počítače dnes, ako napríklad prehliadanie internetu, vytváranie dokumentov, editáciu obrázkov či prezeranie videa, toho kvantový počítač moc neponúkne a s najväčšou pravdepodobnosťou by bol pri nich pomalší. Tento sen je hnaný myšlienkou na vykonávanie výpočtov v obrovskej náročnosti a komplexnosti, ktoré nie sú na bežných počítačoch dosiahnuteľné v relevantnom čase. Zlepšenie v základe totiž nie je v rýchlosti konkrétnych operácií, ale v znížení počtu operácií, ktoré je potrebné vykonať pre dosiahnutie výsledku. Ide o nový druh počítača, ktorý nám otvorí nové obzory. Treba sa preto naň pozerať práve z tohto pohľadu.