Kvantové počítače slibují revoluci ve výpočetní technice díky tzv. kvantové nadřazenosti. Co tento termín přesně znamená a proč vzbudil takový rozruch? Dozvíte se, jak kvantové počítače mohou řešit problémy, na kterých klasické PC selhávají, i jaké výzvy musí vědci překonat, aby jejich potenciál využili v praxi.
Pojem „quantum supremacy“ se často překládá jako „kvantová nadvláda“, i když výstižnější je asi kvantová superiorita. Tento termín označuje skutečnost, že kvantové počítače dokážou efektivně řešit některé třídy úloh, které se na klasických počítačích dají řešit pouze velice obtížně nebo vůbec.
Komplexitou výpočtů se zabývá teorie složitosti, která zkoumá náročnost algoritmů z hlediska spotřeby výpočetního času a paměti potřebné k dosažení požadovaného výsledku. Složitost se u klasických počítačů poměřuje k idealizovanému modelu – Turingovu stroji, který slouží jako základní jednotka pro měření. Všechny turingovské stroje umí řešit všechny problémy se stejnou třídou složitosti, jen některé rychleji a jiné pomaleji. Pokud je problém řešitelný na jednom turingovském stroji, je řešitelný na všech.
Řada problémů patří mezi tzv. těžké problémy, které například potřebují na řešení čas rostoucí více než polynomiálně s velikostí zadání. To v praxi znamená, že i když teoreticky umíme problém počítačově řešit, v praxi to dokážeme pouze pro poměrně malá zadání. Náročnost výpočtu pro velká zadání by se vymykala praktickým možnostem. Kvantové počítače mohou některé z těchto úkolů vyřešit podstatně rychleji – a tím se považují za „superiorní“ oproti klasickým počítačům. Kvantová superiorita se netýká všech známých problémů, mnohé z nich zůstávají pro kvantové počítače stejně komplikované jako pro ty klasické.
Fakt, že kvantové počítače mohou efektivně řešit problémy velmi těžko řešitelné pro klasické počítače, otevírá nové možnosti pro řešení složitých úloh, ale zároveň narušuje některé důležité předpoklady, které jsme měli u klasických algoritmů. Tzv. Shorův algoritmus, který umožňuje hledat velké prvočíselné dělitele, dovoluje lámání moderních šifer – a vede nás k nutnosti hledat nové třídy kryptografických algoritmů, které jsou odolné vůči lámání s využitím kvantových počítačů.
Užitečnost kvantových počítačů souvisí s tím, zda se je podaří stavět dostatečně velké na to, aby dokázaly efektivně řešit rozsáhlé problémy. To není zatím vůbec jisté, protože praktické kvantové počítače vyžadují velký počet qubitů, které se podaří udržet koherentní po dostatečně dlouhou dobu. V současnosti se hledají kvantové algoritmy, které by mohly být užitečné, pokud se to podaří – pokud se to ale nepodaří, zůstaneme pouze u teoretického využití.
V roce 2019 vzbudil velký rozruch článek „Quantum supremacy using a programmable superconducting processor“, který oznamoval, že výzkumníkům Google se podařilo dosáhnout kvantové superiority pomocí procesoru Sycamore. Tento procesor obsahoval 53 qubitů a dokázal za 200 sekund odečíst milion měření kvantového stavu, což by „špičkovému superpočítači trvalo deset tisíc let“. Nutno podotknout, že se tím myslí, že na simulaci kvantového stavu by klasický počítač potřeboval deset tisíc let, zatímco u tohoto experimentu se kvantový stav pouze odečítal. To vzbudilo kritiku mnoha výzkumníků, kteří požadují důkaz řešení praktických úloh, nejen důkaz schopnosti odečítat kvantové stavy.
Debata do jisté míry souvisí s tím, že v 80. letech známý americký fyzik Richard Feynman navrhl, že pro výpočty kvantových stavů je nejvhodnější stroj, který s nimi přímo pracuje, nikoli ten, který je pouze simuluje pomocí výpočtů. Tím se otevírá třída úloh spojených s řešením fyzikálních a chemických problémů, které se dají lépe a přirozeněji simulovat pomocí kvantových stavů, což by při popisu klasickými rovnicemi bylo výpočetně velice složité.
Kvantová superiorita tedy neznamená, že by kvantové počítače byly ve všech směrech lepší než ty klasické, ale to, že existují algoritmy, jako je diskrétní kvantová Fourierova transformace, která je exponenciálně rychlejší než všechny jiné známé algoritmy. Kvantová nadvláda je situace, kdy skutečný kvantový počítač dokáže vyřešit to, co žádný klasický počítač nedokáže.
Budoucnost využití kvantových počítačů souvisí s tím, jak se podaří objevovat další třídy algoritmů, které se na nich dají efektivně řešit, ale obecně to neznamená, že by někdy nahradily klasické počítače. Klasické počítače mají mnoho výhod, které se těžko nahrazují – například determinismus, tedy to, že stejný algoritmus se stejnými vstupy dává vždy stejné výsledky, což je jejich zásadní přednost.
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.
