Co jsou to kvantová hradla a jakou roli hrají v kvantovém počítači? Podíváme se na princip jejich fungování, různé architektury kvantových počítačů a proces, jakým probíhá kvantový výpočet. Zjistíte, proč se kvantové počítače chovají spíše jako výpočetní akcelerátory a jak získávají výsledky.
Většinou se mluví o qubitech, ale co to jsou kvantová hradla (quantum gates)? V případě klasické výpočetní techniky je hardware složen z obvodů tvořených hradly (gates), přes které prochází informace (bity). U kvantových počítačů se zpracovává informace uložená v qubitech, na které působí jednotlivé operace (quantum gates). Zatímco u klasických počítačů je hardware tvořen z hradel, kterými bity cestují, zde jsou qubity obvykle na místě – a „kvantová hradla“ jsou něco jako funkce, které se na ně aplikují. (To neplatí například u fotonů ve kvantové fotonice, což je dáno její odlišnou technologií.)
Pomocí aplikace kvantových hradel (funkcí) na qubity, které drží informaci v její superpozici, dochází k výpočtům – a jednotlivé modely kvantových počítačů pracují s informací podle své konstrukce. Qubity založené na izolovaných částicích vyžadují aplikaci kvantových hradel působením vnější síly, například pomocí laserů. Optické kvantové počítače (kvantová fotonika) naopak drží informaci ve fotonech, které se pohybují rychlostí světla kvantově optickými obvody a provádí zpracování informace způsobem bližším klasickým počítačům, kde jsou hradla na místě a informace mezi nimi putuje.
Přestože se díváme na kvantové počítače jako na jednu homogenní kategorii, ve skutečnosti před sebou máme mnoho tříd počítačů s velmi odlišnými architekturami. Základní principy, totiž vyjádření informace v jejím pravděpodobnostním stavu a celý výpočetní proces využívající kvantově mechanických jevů, jsou ve všech případech shodné, ale způsob fyzické realizace qubitů a práce s nimi se mezi jednotlivými kvantovými architekturami značně liší.
To není nové – podobné to bylo v padesátých letech minulého století, kdy se také hledaly cesty jak co nejlépe pracovat s informací a zkoumaly se různé konstrukční cesty, u kterých nebylo zpočátku jasné, které jsou lepší a které naopak nikam nevedou. Je velmi pravděpodobné, že vývoj u kvantových počítačů projde stejnou cestou – a teprve po určité době se ukáže, které přístupy jsou perspektivní a které končí slepou uličkou.
Ve všech případech vypadá výpočetní cyklus podobně: Qubity se uvedou do výchozího stavu a provádí se na nich výpočetní operace pomocí sekvence kvantových hradel, ať už jsou qubity a hradla realizována jakkoliv. Využívá se mechanismus kvantového svázání qubitů (entanglement), který způsobuje, že změna každého jednoho qubitu se promítne i do těch ostatních. V okamžiku, kdy je výpočet ukončen, se provádí čtení výsledků, vlnové funkce qubitů zkolabují z neurčitého stavu do stavu |0> nebo |1> – a přesně v tu chvíli získáme výsledek.
Je to jediná cesta, jak získáme výsledek, jenom jeden a jenom jednou – a výsledek může být při jednom běhu kvantového počítače od jiného běhu odlišný. Proto se celá sekvence opakuje a jednotlivé výsledky se zaznamenávají. Rozdělení výsledků statisticky odpovídá pravděpodobnosti řešení, takže tyto výsledky sesbírá a zpracuje klasická (digitální) část počítače, čímž získáme konečný výsledek. V praxi se tak kvantový počítač chová spíš jako výpočetní akcelerátor, který umí zrychlit výpočty pomocí síly kvantové mechaniky.
Michal Rybka
Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.
