První kvantový počítač v Česku je branou do světa, kde jsou kočky živé i mrtvé zároveň

Na první pohled je to běžná zasedačka, stiskem tlačítka se však vysune roleta a prosklená stěna odkryje impozantní výhled: v jeho středu se vznáší šedý válec zavěšený v robustní konstrukci – první kvantový počítač v Česku označovaný VLQ a hovorově nazývaný „vlk“. Stroj, který postavila finská firma IQM, září novotou; do provozu byl uveden letos v září.

Na spodním konci je ukryt jediný kvantový čip menší než nehet malíčku a chlazený na teplotu nižší, než má mezihvězdný prostor. Právě v něm probíhají výpočty založené na podivných jevech mikrosvěta: na superpozici stavů a kvantovém provázání – řeč je o proslulých „Schrödingerových kočkách“, které mohou být „živé a mrtvé“ zároveň. V tomto intuitivně nepochopitelném stavu umí coby sehraný orchestr provádět výpočty, na něž v budoucnu – až se technologie zdokonalí – nebudou stačit ani ty nejvýkonnější superpočítače.

Ty tu ostatně mají také; jsme v IT4Innovations, národním superpočítačovém centru při Vysoké škole báňské – Technické univerzitě v Ostravě. Další prosklená stěna nabízí pohled na superpočítač Karolina připomínající velín kosmické lodi. Jeho výpočetní síle by se nevyrovnalo ani sto tisíc moderních notebooků a propojení s „vlkem“ umožňuje kombinovat klasické a kvantové výpočty.

„Kvantové počítače nejsou inovace, je to technologický skok; nikoli od parní lokomotivy k dieselové, ale rovnou k raketě, něčemu, co umožňuje let do jiných sfér. Časem umožní řešit problémy, které klasické počítače nikdy vyřešit nedokážou,“ říká matematik Marek Lampart, který v IT4Innovations vede Laboratoř kvantových výpočtů. Význam oboru podtrhuje i skutečnost, že za výzkum, který vedl ke konstrukci těchto strojů, získala trojice vědců minulý týden Nobelovu cenu za fyziku (viz box).

Kvantové počítače už nacházejí praktické uplatnění: pomáhají řešit úlohy v logistice, asistují při vývoji léků, banky pomocí nich optimalizují udělování půjček. Propojují se s klasickými superpočítači, stávají se součástí data center. Širšímu nasazení však zatím brání dvě související věci: jsou málo výkonné a výpočty zatěžuje velké množství chyb.

Až se podaří chybovost snížit a výkonnost tak stoupne, kvantové počítače nabídnou obrovskou výhodu v řadě oborů od výzkumu přes služby až třeba k energetice. Největší naděje se vkládají do vývoje nových léků a materiálů s unikátními vlastnostmi. Zároveň vývoj pozorně sledují tajné služby. Hrozí totiž, že zdokonalení těchto strojů umožní prolomit prakticky veškeré šifrování na současném internetu od bankovních účtů přes soukromou korespondenci až po tajné informace. Většina vyspělých zemí se už na tento okamžik připravuje.

Rozsvícená i zhasnutá žárovka

Leaderem oboru jsou minimálně co do počtu kvantových počítačů Spojené státy, Evropská unie ale začíná do vývoje těchto strojů výrazně investovat; z veřejných zdrojů nyní vynakládá po Číně nejvíce peněz. Právě evropským financím vděčí ostravské centrum za to, že kvantový počítač v ceně 125 milionů korun získalo. Polovinu nákladů zaplatila Unie, zhruba třicet procent Česko a zbytek ostatní členové konsorcia osmi evropských zemí, které o projekt usilovalo. Česká republika je jeho vedoucím členem a největším přispěvatelem, proto volba nakonec padla právě na ni; kvantových počítačů nicméně za evropské peníze vzniká v Unii víc.

Při pohledu ze zasedací místnosti budí „vlk“ dojem tichého zvířete. Po vstupu přímo k němu je však slyšet přerušované syčivé hvízdání vydávané chladicím systémem, který udržuje kvantový čip na teplotě kolem 10 milikelvinů, tedy pouhých 10 tisícin stupně nad absolutní nulou (ta je minus 273,15 °C). Právě díky této teplotě, při níž pohyb atomů téměř ustává, mohou na čipu probíhat kvantové jevy, aniž by byly rušeny pohyby a vyzařováním okolních molekul.

Pomocí mikrovlnných pulzů tu lze navodit superpozici stavů, kterou fyzik Erwin Schrödinger v roce 1935 demonstroval pomocí zmíněného myšlenkového experimentu s živou i mrtvou kočkou. Lze to popsat tak, že na kvantovém čipu vzniká několik elektrických obvodů a v každém z nich současně cirkuluje i necirkuluje proud. „Jako kdyby žárovka svítila i nesvítila současně,“ vysvětluje Branislav Jansík, ředitel superpočítačových služeb v IT4Innovations. Právě takto vznikají kvantové bity – qubity.

Zatímco běžný bit, v počítačových vědách jednotka informace, nabývá vždy buď hodnoty 0, nebo 1, qubit obsáhne mnohem víc údajů. Informaci tu můžeme chápat jako bod na kulové sféře, kde severní pól reprezentuje nulu, jižní pól jedničku a povrch koule cokoli mezi tím. Data se do qubitu ukládají pomocí sférických souřadnic jednotlivých bodů na pomyslné kouli.

Největší síla kvantových výpočtů ovšem spočívá v dalším jevu – kvantovém provázání, kdy qubity začnou fungovat jako sehraný, navzájem propojený orchestr. Dva navzájem provázané qubity si lze představit jako dvě hrací kostky spojené záhadným poutem; kdykoli padne na jedné určité číslo, na druhé padne odpovídající číslo pevně dané provázáním. „Vlk“ má 24 tzv. fyzických qubitů a experimenty ukazují, že navzájem kvantově provázat lze nyní osmnáct z nich – víc zatím nedovolí zmíněné rušivé vlivy.

Podstatné je, že pomocí qubitů může kvantový počítač zkoumat možná řešení zadaných úloh současně, nikoli jedno po druhém jako klasické počítače (viz box). Existuje například algoritmus, který touto cestou umožňuje kvantovým počítačům prohledávat dokumenty, ale obecně se tyto stroje hodí ke složitějším úkolům, jako jsou simulace a optimalizační úlohy. Elektrická síť v Česku má dva a půl tisíce uzlů, například trafostanic, a vypadne-li jedna, ovlivní to situaci v jejím okolí. Propočítávat všechny kombinace, které mohou nastat, klasickou cestou nejde, kvantový počítač by to zvládnout mohl.

Ten v ostravském centru má ovšem k simulaci elektrorozvodné sítě daleko. „V okamžiku, kdy spustíme ‚vlka‘ na plný výkon, měli bychom být schopni simulovat síť o osmi uzlech,“ přibližuje současné možnosti Lampart.

Prolomení šifer? Stačí 10 vteřin

Ostravští vědci přitom pokládají svůj počítač za špičku v oboru – nicméně zatím neumožňuje výpočty, jež by na klasických počítačích provést nešly. „Je bránou do kvantového světa. Umožňuje nám nastartovat nový způsob uvažování a práce,“ vysvětluje Jansík. Mít takovou bránu je důležité, celý obor je stále v začátcích. Kvantové počítání zatím nevystoupilo z „období šumu“, kdy výpočty zatěžuje extrémní chybovost. Fyzické qubity proto o skutečné výkonnosti těchto strojů příliš nevypovídají; značné množství jich padne na samo odstranění chyb.

Lepší mírou dosaženého pokroku jsou takzvané logické qubity, které již chyby kompenzují a s nimiž pracují kvantové algoritmy (na vytvoření jednoho logického qubitu je potřeba kombinovat desítky až tisíce těch fyzických). Nejvýkonnější kvantový počítač současnosti, který vyrobila americká firma Atom Computing, spolu s IBM jeden z lídrů oboru, má 24 logických qubitů. V Dánsku chce pak Atom Computing v roce 2027 dokončit kvantový počítač pojmenovaný Magne po synovi severského boha Thóra, který by měl údajně mít 50 logických qubitů. Od hranice 100 qubitů přitom kvantový počítač dokáže provádět výpočty, na něž by ty klasické potřebovaly miliony let.

Další generace těchto strojů, která bude mít přinejmenším tisíc logických qubitů, by se pak mohla zrodit přibližně do deseti let. Umožní například propočítávat nesčetné kombinace molekul a odvozovat z nich vlastnosti sloučenin. Mohou vznikat třeba kompozitní materiály pro vyspravení zlomených kostí, které se po čase v těle vstřebají, nebo úplně nové kategorie léků. Kvantové počítače zároveň spotřebovávají méně elektřiny, takže jejich propojování s klasickými počítači ušetří energii. Hovoří se také o vzniku nového druhu umělé inteligence, takzvané kvantové AI.

Některé perspektivy ovšem vzbuzují i obavy. Podle Marka Lamparta by kvantový počítač disponující pěti tisíci logickými qubity prolomil současný způsob šifrování komunikace na internetu za pouhých deset vteřin. Přípravy na příchod tak výkonného stroje už probíhají: pracuje se na zdokonalení současného způsobu šifrování, které by okamžik prolomení šifer oddálilo, a vyvíjejí se zcela nové druhy šifrovacích algoritmů, s nimiž by si neporadily ani kvantové počítače.

Vedoucí postavení si v tom udržuje americký Národní institut standardů a technologie, jehož doporučeními se řídí odborníci na kybernetickou bezpečnost po celém světě. Lze si přitom opatrně vsadit, že všechny velmoci včetně Číny, ale možná i někteří internetoví podvodníci si už nyní nahrávají internetovou komunikaci, o kterou mají zájem – a čekají na okamžik, kdy ji bude možné zpětně přečíst. „Pokud potřebujete, aby byla vaše data bezpečná příštích padesát let, máte problém,“ shrnuje Marek Lampart.

Žijeme v multiverzu?

Kvantové počítače jsou pozoruhodné tím, že věda stále neumí do hloubky interpretovat jevy, na nichž jsou založeny. V osmdesátých letech minulého století badatelé poněkud rezignovali na snahu porozumět tomu, co jim kvantová fyzika říká o povaze světa, a zaměřili se na to, jak ji prakticky využít. I díky tomu vznikla řada aplikací, moderní počítačové čipy, zobrazovací technologie v medicíně nebo právě kvantové počítače.

Důsledkem je však také pozoruhodný nesoulad mezi experty, který nedávno zmapoval časopis Nature. Kvantová fyzika letos oslavila sto let od svého vzniku a Nature se při té příležitosti obrátil na přibližně patnáct tisíc vědců s řadou otázek, jejichž cílem bylo dobrat se toho, jak vlastně chápou realitu, která se za rovnicemi kvantové fyziky skrývá.

Jde tu především o klíčovou vlastnost mikrosvěta. Kvantový objekt, například subatomární částice, se nachází ve zmíněné superpozici stavů, což si lze představit i tak, jako by částice byla na více místech současně nebo nesla kombinaci různých protichůdných vlastností. Zdá se, jako by nepředstavovala reálný objekt, ale pouhý oblak pravděpodobností, který zkolabuje v reálnou „věc“ až v okamžiku měření.

To vyvolává řadu otázek: má objekt v kvantovém stavu vůbec nějaké vlastnosti, dokud ho nepozorujeme? Je takzvaná vlnová funkce, která jeho chování popisuje, cosi reálného, nebo pouhý matematický nástroj? Co doopravdy znamená, že ona „Schrödingerova kočka“ coby metaforické vyjádření superpozice může být živá i mrtvá zároveň?

Oslovení vědci se v odpovědích vůbec neshodli. Podle 45 procent fyziků vede jasná hranice mezi světem kvantových jevů a naším makrosvětem, ale stejný počet dotazovaných si myslí opak. Téměř polovina oslovených uvedla, že vlnová funkce je pouze užitečný matematický nástroj, zatímco podle 36 procent jde o vyjádření existující fyzikální reality.

Nezanedbatelná část vědců z posledně jmenované skupiny dokonce věří v takzvanou teorii mnoha světů, podle níž žijeme v multiverzu skládajícím se z mnoha vesmírů: vlnová funkce je reálná, částice skutečně může být na mnoha místech současně a „kočka“ živá a mrtvá zároveň. Ve chvíli, kdy provedeme měření – částici zachytíme detektorem, otevřeme krabici s kočkou –, se vlnová funkce rozdělí mezi více různých vesmírů a v každém z nich pozorovatel zaznamená odlišný výsledek.

Jeden vidí, že kočka je živá, zatímco jeho kopie v jiném vesmíru spatří mrtvé zvíře. S trochou fantazie by pak bylo možné říci, že kvantový počítač může zkoumat všechna možná řešení zadané úlohy současně díky tomu, že je provádí výpočty ve stavu, kdy je „rozkročen“ napříč různými vesmíry, různými částmi multiverza.

„Je hloupé, že nemůžeme lidem nabídnout srozumitelný příběh o tom, co to vlastně je realita,“ zhodnotil pro Nature rozdílnost získaných odpovědí americký teoretický fyzik Carlton Caves. Míra nesouladu mezi vědci překvapila i jeho kolegu působícího ve Švýcarsku, dalšího teoretika Renata Rennera – je podle něj zvláštní, kolik fyziků kvantovou teorii prostě používá, aniž by se zabývali tím, co nám prozrazuje o povaze světa. Na druhou stranu to podle Rennera nemusí být nutně chyba: „Kdyby byl každý jako já, kvantový počítač nikdy nevyrobíme,“ hodnotí vědec svoji snahu realitě přece jen hlouběji porozumět.

Ostravský „vlk“ je každopádně důkazem, že přístup „přestaň se ptát a počítej“ nese ovoce. Až vědci vyladí jeho fungování a spustí jej naplno, což by mělo být začátkem příštího roku, zpřístupní jej kolegům a dalším zájemcům z celé Evropské unie. K plánům, co na něm zkoumat, patří propočítávání struktury nových proteinů s požadovanými vlastnostmi, což lze využít v medicíně. Dalšími nápady jsou zpracování signálů z Einsteinova teleskopu (připravovaný evropský podzemní detektor gravitačních vln) pomocí kvantového strojového učení nebo aplikace kvantových výpočtů v magnetické rezonanci.

Firmy by měly na rozdíl od vědců za přístup ke kvantovému počítači platit, ale Unie nabízí řadu programů, z nichž bude možné výpočty financovat. Podle Evropské komise totiž kvantové počítače urychlí ekonomický růst a dotace se mnohokrát vrátí. „Je to nezbytné,“ přikyvuje Marek Lampart, „a je strašně důležité šířit povědomí o tom, že kvantová technologie umožňuje skokový nárůst výkonu počítačů.“