Hlavní obsah

Jak budou děti konstruovat kvantové součástky: Esej o nevyčerpané kombinatorice

Foto: Michal Mazgal

Snažil jsem se laikům přiblížit problematiku minulosti, současnosti a i budoucnosti.

Článek

Představme si dílnu budoucnosti: na stole leží hrst miniaturních destiček z diamantu, supravodivé kroužky tenké jako vlas a drobné plošky z polovodiče, jejichž povrch je pokryt puntíky v nanometrovém měřítku. Dítě, které dnes staví barevné stavebnice, tuhle scenérii možná přijme jako samozřejmost. Aby však tyto součástky skutečně pracovaly, musí konstruk­tér spojit několik kvantových jevů do jediného funkčního celku. A právě zde se otevírá fascinující svět kombinatoriky, který ani nejvyspělejší umělá inteligence zatím nedokáže plně prozkoumat.

Kvantová fyzika nabízí omezený, ale přesto pestrý repertoár základních efektů: tunelování, interference, superpozici, spinové manipulace, kvantové Hallovy proudy či Josephsonův jev. Každý efekt má vlastní „tón“, podobně jako jednotlivé noty v hudbě. Když konstruktér položí na stůl jediný tunelový přechod, dostane jednoduchý filtr částic. Přidá-li však supravodivou smyčku, dokáže tunelování modulovat indukovaným magnetickým tokem a vznikne detektor extrémně slabých polí. Vloží-li navíc vrstvu s desetitisícem drobných kvantových teček, jejichž spiny lze nezávisle otáčet, změní se zařízení v miniaturní kvantový počítač se specializovanou úlohou. Celková funkce už není pouze součtem dílů; vzniká nový, emergentní fenomén.

Teoreticky můžeme každý z n kvantových jevů zkombinovat s libovolnou podmnožinou zbylých, a to různým způsobem: sériově, paralelně, v nelineárních sítích či ve vrstvách oddělených izolantem. Počet variant roste rychleji než exponenciálně; kombinatorická bouře připomene hvězdné nebe, z něhož lze utkat nekonečné množství souhvězdí. Umělá inteligence dnes zvládá projít jen nepatrný zlomek tohoto prostoru. Naučí se optimalizovat parametry dvou či tří spojených jevů; jakmile jich přibude pět, deset, či dokonce dvacet, dostane se na hranici výpočetní i algoritmické kapacity. Hledání se promění ve slepou pouť neprobádanou krajinou možných interakcí.

Dítěti ovšem nebrání žádná předem naučená rutina ani respekt k klasifikaci učebnic. Jeho zvědavost ho vede k nahodilým zkouškám: „Co kdybych vložil Josephsonův spoj do středu kruhu z křemíkového krystalu, který má po obvodu kvantové tečky se spinem nahoru a druhou se spinem dolů?“ Výsledek může být z hlediska dnešní teorie neprůhledný, přesto občas funguje – a to překvapivě účinně. Takový objev je spíš alchymií než systematickým návrhem, a právě tady se rodí potřeba nové, podstatně robustnější formy kombinatorického myšlení.

Jak tedy děti naučit skládat kvantové efekty do funkčních celků? Nejprve musí získat intuici pro to, že kvantový jev není jednoúčelová součástka, ale modul, jehož chování se radikálně promění v závislosti na sousedech. Druhým krokem je porozumění základním pravidlům „gramatiky“: některé jevy si překážejí (nadbytečné rozptylové centrum zničí koherentní fázi), jiné se naopak posilují (interference může násobit účinek spinového filtru). Teprve až zvládnou tuto abecedu, získají svobodu skládat slova a věty – tedy sofistikované čipy.

Umělá inteligence zůstane průvodcem, který počítá tvar vlnové funkce nebo navrhne nejefektivnější deposiční proces. V kombinatorické fázi však ustoupí do role – řekněme – knihovníka, jenž vyhledá známé vazby, ale nedokáže předpovědět originální metaforu. Bude na lidské představivosti, aby v nekonečném slovníku kvantových interakcí objevila poetické spojení, která ještě nikdo neviděl.

Dopad takového přístupu může být obrovský. Pokud děti přijmou kvantové efekty jako stavební kostky podobné slovům, vznikne generace jazykově plně gramotných konstruktérů. Tam, kde dnešní průmysl potřebuje tisíce tranzistorů, aby vykonal jedinou logickou operaci, mohou budoucí inženýři postavit jediný modul, v němž tunelování, spinová selekce a interference provedou práci naráz. Miniaturizace vstoupí do nové etapy: už nepůjde o zmenšování součástek, ale o zahušťování jejich funkcí.

Esej tedy končí paradoxní poznámkou: čím více delegujeme rutinní úkoly na algoritmy, tím větší význam má lidská schopnost tvořivě kombinovat. Kvantový svět je totiž scénářem, v němž pravidla existují, ale nejsou jednoznačným návodem. Až se naše děti vydají do této krajiny, umělá inteligence jim poskytne mapu terénu. Smělé kroky mimo vyšlapané cesty však bude muset udělat zvědavý člověk – možná školák s hrstí diamantových čipů na stole a hlavou plnou nekonečné kombinatoriky.

Esej je nyní čistý souvislý text bez odrážek či tabulek a soustředí se výhradně na kombinatoriku při konstrukci kvantových součástek. Pokud byste chtěli ještě něco doladit—zkrátit, rozvinout konkrétní část, nebo změnit styl—dejte vědět.

Máte na tohle téma jiný názor? Napište o něm vlastní článek.

Texty jsou tvořeny uživateli a nepodléhají procesu korektury. Pokud najdete chybu nebo nepřesnost, prosíme, pošlete nám ji na medium.chyby@firma.seznam.cz.

Související témata:
Kvantová fyzika

Sdílejte s lidmi své příběhy

Stačí mít účet na Seznamu a můžete začít psát. Ty nejlepší články se mohou zobrazit i na hlavní stránce Seznam.cz