Spoločnosť Google oznámila významný pokrok v oblasti kvantových počítačov. Na ich čipe Willow so 105 qubitmi sa podarilo prvýkrát vykonať výpočet, ktorého výsledok je možné reálne overiť experimentálnym meraním. Kvantový počítač vypočítal štruktúru molekúl a bol pri tom 13 000-krát rýchlejší ako najrýchlejší superpočítač Frontier, informuje server VTM.cz.
Praktické a overiteľné
Súčasný prielom je mimoriadne dôležitý, pretože rieši jednu z hlavných výhrad voči kvantovým počítačom. Ich propagátori doteraz demonštrovali rýchlosť na algoritmoch šitých na mieru, no ich výsledky nebolo možné spoľahlivo overiť. Často išlo o náhodné vzorky z pravdepodobnostnej distribúcie – ak by ste výpočet spustili znova, nedostali by ste rovnaký výsledok. Tentoraz však kvantový počítač počítal reálnu úlohu.
Na čipe Willow so 105 qubitmi Google vypočítal štruktúru dvoch testovacích molekúl (s 15 a 28 atómami). Výsledky boli následne porovnané s experimentálnou metódou jadrovej magnetickej rezonancie (NMR) a zhodovali sa. Kvantový výpočet navyše odhalil aj informácie, ktoré bežná NMR metóda neukazuje.
Ako fungujú kvantové počítače?
Na rozdiel od bežných počítačov, ktoré pracujú s bitmi (0 alebo 1), kvantové počítače používajú qubity. Tie vďaka princípu superpozície dokážu spracovávať obrovské množstvo informácií a variantov naraz. Sú však extrémne nestabilné a citlivé.
Kým bežná DDR pamäť v PC funguje pri izbovej teplote a udrží informáciu desiatky milisekúnd, qubity udržia svoj stav len miliónkrát kratší čas. Navyše vyžadujú extrémne chladenie – čip Willow je chladený na teplotu v ráde milikelvinov, čo je stotina stupňa nad absolútnou nulou. Pre porovnanie, hlboký vesmír je približne 300-krát teplejší.
Najväčším problémom je však čítanie. Kým stav bežného bitu (0 alebo 1) je možné kedykoľvek prečítať a znova zapísať, akýmkoľvek pokusom o prečítanie stavu qubitu sa tento jeho komplexný kvantový stav okamžite a nenávratne zničí.
Prelomová metóda “Quantum Echoes”
Googlu sa podarilo tento problém obísť pomocou novej metódy. Najprv sa systém vyresetuje do jasného východiskového stavu. Následne sa vykoná séria pseudonáhodných operácií. Uprostred nich vedci nepatrne zmenia jeden jediný qubit. Potom sa všetky operácie spustia presne naopak (spätným chodom).
Hoci by sa mal systém vrátiť do pôvodného stavu, neurobí to – zostane v ňom „echo“ spôsobenej zmeny. Meraním toho, ako táto zmena ovplyvnila ostatné qubity, dokážu vedci získať jednoznačný a opakovateľný výsledok.
Sú tu prekážky
Hoci bol kvantový počítač Willow 13 000-krát rýchlejší ako superpočítač Frontier (2 hodiny oproti vyše 3 rokom), neznamená to, že superpočítače sú zastarané. Frontier je univerzálny stroj, zatiaľ čo kvantové počítače sú zatiaľ v „hlbokom praveku“. Na reálne využitie pri vývoji nových liekov, materiálov alebo lepších batérií budú potrebné stroje so státisícmi až miliónmi qubitov a bude treba vyriešiť problém chladenia.
Napriek tomu tento úspech dokazuje, že nejde o slepú uličku. Aj keď sú kvantové počítače použiteľné len pre špecifické úlohy, to isté platí aj pre grafické karty v bežných PC, bez ktorých by sme si moderné hry nezahrali. Vývoj kvantových počítačov tak pokračuje, aj keď existujú aj iné alternatívne smery, ako neuromorfné, optické či spintronické počítače.
Budúcnosť je pestrá, no neistá
Kvantové počítače teda v budúcnosti nebudú slúžiť na bežné úlohy, ako je písanie emailov alebo prezeranie internetu, ale na riešenie extrémne zložitých a špecifických problémov, ktoré sú pre súčasné najvýkonnejšie superpočítače prakticky nerozlúštiteľné.
Ich hlavná sila spočíva v schopnosti dokonale simulovať prírodu na tej najzákladnejšej, kvantovej úrovni. Preto sa očakáva ich masívne využitie predovšetkým vo vede a výskume. Ako ukázal aj experiment Googlu, kvantové počítače excelujú v presnom modelovaní molekúl. To má potenciál spôsobiť revolúciu v medicíne a farmaceutickom priemysle. Namiesto zdĺhavého testovania v laboratóriách by vedci mohli presne nasimulovať, ako bude nové, komplexné liečivo interagovať napríklad s proteínom vírusu alebo s rakovinovou bunkou. To by mohlo dramaticky urýchliť vývoj nových, cielenejších liekov a pomôcť odhaľovať príčiny chorôb.
Rovnaký princíp platí aj pre vedu o materiáloch. Kvantové počítače by umožnili navrhovať úplne nové materiály s vopred definovanými vlastnosťami – napríklad ľahšie a pevnejšie zliatiny pre letecký priemysel, efektívnejšie solárne panely alebo revolučné nové typy batérií s oveľa vyššou kapacitou a rýchlosťou nabíjania.
Ďalšou oblasťou je klimatológia a meteorológia. Predpovedanie počasia a modelovanie klimatických zmien zahŕňa spracovanie obrovského množstva premenných. Kvantové počítače by dokázali tieto komplexné systémy analyzovať oveľa presnejšie, čo by viedlo k výrazne spoľahlivejším a dlhodobejším predpovediam počasia a lepšiemu pochopeniu klimatických zmien.
Okrem toho sa očakáva ich využitie pri riešení zložitých optimalizačných problémov (napríklad nájdenie najefektívnejších logistických trás pre globálnu dopravu), v kryptografii (kde predstavujú hrozbu pre súčasné šifrovanie, ale aj prísľub nových, neprelomiteľných metód) a pri ďalšom rozvoji umelej inteligencie. Hoci sú dnes, ako bolo povedané, ešte „v praveku“, ich potenciál spočíva v riešení fundamentálnych výziev vo vede a priemysle.
