Jak fungují kvantové počítače a v čem se liší od těch klasických? Článek odhaluje fascinující svět kvantové informatiky, kde platí jiná pravidla než v běžných počítačích. Dozvíte se, proč musí být kvantové počítače chlazené téměř na absolutní nulu a jak pracují s pravděpodobností místo s jistotou.
Kvantové počítače jsou pro laiky obestřené mystikou, ale v podstatě jde o rozšíření klasických počítačů o „kvantovou část“, která dovoluje používat pro práci s informací kvantové jevy. Není to tak úplně přesné, ve skutečnosti s kvantovými jevy pracuje i klasická elektronika: Solární články využívají fotoelektrický jev, za jehož objasnění dostal Albert Einstein v roce 1922 Nobelovu cenu za fyziku. Moderní polovodiče jsou založené na kvantových efektech – a tak můžeme do jisté míry označit vlastně všechny současné počítače za částečně kvantové.
Základní rozdíl mezi klasickými počítači a těmi kvantovými je v tom, že u klasických počítačů kvantové jevy využíváme, ale snažíme se jejich vliv na zpracování informace potlačit. Chceme odstranit neurčitost, protože potřebujeme jasně a předvídatelně fungující deterministické stroje. Kvantové jevy jsou do značné míry neintuitivní a divné, a i když jsou všude kolem nás, jejich efekt ve velkých celcích mizí. Vidíme tak svět, který se chová podle pravidel klasické fyziky – předvídatelně a deterministicky. Proto jsme také navyklí řešit klasické problémy deterministicky, s pomocí algoritmů, tedy instrukcí, které krok za krokem popisují postup řešení problému.
Kvantové počítače jsou jiné v tom smyslu, že u nich chceme používat kvantové jevy jako základní princip jejich funkce a tyto efekty v nich nejenže nepotlačujeme, ale naopak se je snažíme udržet co nejdéle.
Základním jevem, o který se kvantové počítače opírají, je princip superpozice, kdy základní jednotka informace, qubit, může mít s určitou mírou nejistoty nikoliv jeden stav ze dvou, ale oba stavy najednou. Tento stav se udržuje pouze do chvíle, kdy se pokusíme stav qubitu přečíst – potom dojde k jevu nazývanému jako kolaps vlnové funkce a qubit si vybere jeden ze dvou stavů. To znamená, že při opakovaných výpočtech kvantový počítač může vracet odlišné odpovědi (není tedy zcela předvídatelný), jejich četnosti ale odpovídají statistikám pravděpodobností. Do jisté míry jde spíš o statistický nebo pravděpodobnostní počítač, který využívá kvantové jevy.
Tento příměr není přesný, existují skutečně koncepty počítačů, které jsou založeny na práci s pravděpodobností a dokonce i se šumem z okolí. Jednotlivé qubity nevyjadřují přímo pravděpodobnosti, se kterými se počítá, ale amplitudy pravděpodobností kolapsu qubitů do jednotlivých stavů během procesu jejich měření. Přestože si jsou tyto pojmy podobné, nejsou stejné, řídí se jinými pravidly a tvůrce kvantových algoritmů k tomu musí přihlížet.
Přesto se můžeme dívat na kvantový počítač jako na stroj složený z klasické a kvantové části. Klasická část zpracovává program a na jeho základě připravuje informace a proces kvantového zpracování v kvantové části. Poté provede čtení výsledků kvantové části a zpracuje je obvyklým způsobem – připravuje a odečítá stavy kvantové části, ukládá a statisticky zpracovává výsledky měření a zajišťuje jejich zobrazení.
Kvantové jevy jsou samy o sobě velice citlivé na jakékoliv rušení, zvláště na interakce s částicemi z okolí, které rostou s teplotou, s elektromagnetickým rušením nebo s mechanickými vibracemi. Aby se tento rušivý vliv co nejvíce eliminoval, obvykle se odděluje u kvantových počítačů klasická a kvantová část: Klasická část je řídící počítač, který uvádí qubity do požadovaných stavů a poté zpracovává odečtená data. Klasická část je „horká“, zatímco qubity jsou obvykle uložené samostatně a jsou chlazené na teplotu jenom malý kousek od absolutní teplotní nuly (0 kelvinů, -273,15 °C).
Vlastní „kvantové srdce“ počítače je proto extrémně chlazené – a to v několika etážích, protože i pouhé vodiče, které přenášejí signály od klasické části a odečtená data, samy umožňují přenos tepla z teplejších částí do studenějších. K ochlazování proto dochází postupně, v jednotlivých etážích, aby z klasické do kvantové části procházelo co nejmenší množství rušivého tepla. Chlazení je složité a nákladné a spolu s potřebou co nejvíce izolovat kvantovou část vede k tomu, že se kvantové počítače umisťují do speciálních budov, podobně jako sálové počítače minulosti.
Kvantová část počítače se ovládá pomocí klasických počítačů a obvykle se v praxi používá tak, že úloha se mu zasílá na dálku po internetu. Tím se tak trochu podobá běžným cloudovým počítačům: Zatímco u cloudu jde obvykle o výkonné serverovny s klasickými počítači, které se budují u levných zdrojů energie, u kvantového počítače jde hlavně o udržení delikátních fyzikálních podmínek pro spolehlivý provoz jeho kvantové části.
