Denník N

Kvantové počítače pre všetkých

O kvantových počítačoch sa hovorí už dlho, ale ako vlastne fungujú? V čom sa líšia od tých počítačov, čo dnes používame? Sú lepšie? Tento článok je snahou načrtnúť rozdiel medzi tým, ako ukladajú informácie klasické a kvantové počítače.

O kvantových počítačoch a kvantovom počítaní sa hovorí už dlho. Výskum možností kvantového počítania prebieha už od 80. rokov a za ten čas bolo niekoľko krát dokázané, že kvantové počítanie má mnohé výhody oproti klasickému počítaniu. Jedným z mnohých, často spomínaných a veľmi zaujímavých výsledkov je takzvaný Schorov algoritmus, ktorý umožňuje faktorizovať čísla v polynomiálnom čase, alebo v nevedeckej reči, Schorov algoritmus umožňuje veľmi rýchlo spraviť niečo, čo prelomí značnú časť dnes používaných šifier. O dôležitosi kvantových technológii svedčí aj to, že v súčasnej dobe Európska komisia plánuje projekt za 1 miliardu eur na podporu kvantových technológii.

Čo to ale je to kvantové počítanie a ako sa líši od klasického? Klasické počítanie zahŕňa všetky počítače, mobily, tablety, počítadlá a ďalšie zariadenia, s ktorými prichádzame do styku denno-denne. Tieto zariadenia fungujú na princípoch klasickej fyziky, narábajú s dobre definovanými hodnotami, sčítavajú ich a odčítavajú, násobia, delia a vyhodnocujú logické podmienky. Príkladom môže byť program, ktorému vieme zadať (celé a kladné) číslo Č a v prípade, že je číslo Č párne, tak ho program vydelí 2, ak je číslo Č nepárne, tak ho vynásobí 3 a pripočíta 1 (a taký jednoduchý program sa viaže k jednému doposiaľ nevyriešenému a komplikovanému matematickému problému).

Čo môžu robiť kvantové počítače inak? Aký je rozdiel medzi kvantovým a klasickým počítačom? Táto otázka bola položená veľa krát, odpoveď na ňu bola podaná od najlaickejších po najvedeckejšie a je úzko naviazaná na to, aký je rozdiel medzi klasickou a kvantovou mechanikou. Naučiť sa kvantovú mechaniku nie je ľahké, platí mnoho krát opakovaná fráza, že sa jedná o nový spôsob rozmýšľania a ak sa opýtate niekoho, kto študoval fyziku, tak vám s najväčšou pravdepodobnosťou porozpráva o nociach strávených nad knihami v snahe pochopiť, o čo vlastne ide.

Klasický bit
Klasický bit, to je 0 a 1. Čiara medzi nimi znázorňuje možnosti, kedy sa nevieme úplne rozhodnúť, čo vidíme.

Jeden z významných rozdielov medzi kvantovou a klasickou mechanikou je v geometrii fázového priestoru. V nevedeckej reči sa to dá vysvetliť asi takto: klasické počítače používajú jednotky a nuly na pamätanie si čísiel, písmen, viet a všetkých iných údajov. Preto najzákladnejšia jednotka informácie, ktorá sa v klasických počítačoch používa je bit – jedno miesto na (hypotetickom) papieriku, kde je napísaná buď 1, alebo 0. Množina všetkých možných vecí, ktoré môžu byť napísané na papieriku je potom úsečka spájajúca body 0 a 1, pričom body v strede úsečky chápeme ako také, kedy je na papieriku s istou pravdepodobnosťou 0 a s istou pravdepodobnosťou 1. Za týmto ale nie je nič kvantové! Predstavme si, že ten náš hypotetický papierik je roztrhaný, niektoré kúsky chýbajú, sú na ňom škvrny od čaju a kávy a z výsledného čísla vieme zachytiť len pár čiar. V takom prípade môžeme povedať, že napríklad asi tak na 80% je na papieriku 1 a na 20% je na papieriku 0.

Jednotka alebo nula
Ani pri každom klasickom bite nevieme rozhodnúť, či sa jedná o 1 alebo 0. V prípade, že si informáciu napíšeme na papierik, ktorý pokrčíme, oblejeme kávou a týždeň nosíme v zadnom vačku nohavíc, tak môže byť ťažké určiť, aké číslo na ňom presne bolo.

V kvantovom prípade je najzákladnejšou jednotkou informácie qubit, skratka z quantum bit, teda kvantový bit. Qubit tiež v princípe nadobúda len dve rôzne hodnoty, ale tu nastáva problém so slovami v princípe a rôzne. Jeden a ten istý qubit môže (bez akejkoľvek zmeny) znamenať hodnotu 1 so 100% pravdepodobnosťou a súčasne hodnotu 1 s 50% pravdepodobnosťou a hodnotu 0 s 50% pravdepodobnosťou. Ak ste sa v tomto momente stratili, nerozumiete, alebo nechápete, tak gratulujem, ste na najlepšej ceste pochopiť kvantovú mechaniku.

Za všetkou touto neintuitívnosťou stojí tvar množiny všetkých stavov qubitu, ktorý má tvar sféry (teda gule, alebo futbalovej lopty) a nazýva sa Blochova sféra. A tu je presne vidieť rozdiel medzi klasickým bitom a qubitom, qubit má jednoducho viac možností, viac stavov, v ktorých sa môže nachádzať. Za každý špás sa ale platí a preto cenou za viac stavov qubitu je ich nejasná interpretácia, debaty okolo ktorej siahajú až do filozofie.

Blochová sféra
Blochová sféra je futbalová lopta, ktorá obsahuje všetky stavy kvantového bitu – qubitu. Aj keď presne vieme, o ktorý stav sa jedná, môže byť ťažké interpretovať jeho význam. Zdroj: Wikipédia

V skutočnosti týchto viac stavov qubitu má svoje výhody, aj keď ich rozsah nie je dodnes úplne zrejmý a preskúmaný. Tieto stavy navyše majú svoju cenu v nejasnej interpretácii, na ktorú si už mnohí zvykli. Tu ale nekončia problémy s kvantovými počítačmi. Zatiaľ čo dnes už vieme, ako zostrojiť veľmi veľa klasických bitov tak, aby vydržali nejaký čas, v prípade qubitov je experimentálne ťažké zostrojiť a udržať qubity funkčné. Problémom je najmä to, že qubity sú veľmi krehké a aj najmenšie náhodné efekty spôsobené prostredím zmenia stav qubitu a tým pádom pokazia celý výpočet kvantového počítača. Z tohto dôvodu sa napríklad v kvantovom počítači D-Wave chladia qubity na teplotu 15 milikelvinov, ktorá je extrémne blízka absolútnej nule.

Sú kvantové počítače budúcnosťou? Asi áno. Je trúfalé myslieť si, že do 10 rokov budú kvantové počítače nahradzovať klasické v bežnom živote, ale to závisí len od nás. Od toho, koľko energie, myšlienok a v neposlednej rade aj financií budeme ochotní investovať do výskumu kvantových technológii.

Teraz najčítanejšie

Martin Plávala

Doktorand na Matematickom ústave SAV. Píšem najmä o kvantovej teórii a kvantovej teórii informácie. Nesnažím sa písať len populárne o vede, mojím cieľom je informovať vás, širšiu a zvedavú verejnosť, o súčasnom dianí vo vede a v kvantovej teórii informácie.