Článek
V roce 1981 vystoupil Richard Feynman na odborné konferenci a položil otázku, která zněla téměř provokativně: dokáže obyčejný počítač věrně napodobit přírodu? Odpověď, již o rok později shrnul v článku Simulating Physics with Computers, zněla v podstatě ne. S každou další částicí totiž přibývá informací, které musí klasický stroj sledovat. Toto množství přitom narůstá tak rychle, že počítač brzy zcela zahltí.
Feynmanovo řešení bylo odzbrojující ve své jednoduchosti. Když je příroda kvantová, postavme simulátor, který bude rovněž kvantový. Nechme počítat samotné atomy.
Od této přednášky uplynulo 45 let. Kvantové počítače se mezitím přesunuly z křídových tabulí do laboratoří velkých technologických firem a desítek startupů. Čtenář novinových titulků by snadno nabyl dojmu, že stroj, který prolomí šifry a navrhne nové léky, čeká hned za rohem. Celý vývoj však nejlépe ilustrují čtyři přelomové odborné práce. Každá z nich posunula původní sen jiným směrem a ta poslední ukazuje, kde se obor skutečně nachází dnes.
Příroda si počítá sama
Feynmanův argument vychází z jednoduché aritmetiky. Klasický bit nabývá hodnoty 0, nebo 1. Kvantový bit (qubit) však může být v superpozici obou těchto stavů a skupina qubitů se dokáže vzájemně provázat. Úplný popis padesáti provázaných qubitů pak vyžaduje dvě na padesátou čísel, tedy zhruba biliardu hodnot. S každým dalším qubitem se tyto nároky zdvojnásobí.
Právě zde často vzniká první omyl. Kvantový počítač nefunguje tak, že by vyzkoušel všechny odpovědi najednou a poté vybral tu správnou, jak se občas zjednodušeně píše. Na konci výpočtu totiž musíte qubity změřit a měření vám vrátí jediný výsledek. Celé umění spočívá v tom, aby se správná odpověď objevila s co nejvyšší pravděpodobností. Bez chytrého algoritmu je kvantová superpozice k ničemu, protože z ní získáte jen náhodné číslo.
Feynman nepředložil konkrétní algoritmus ani návrh stroje. Přinesl však silnou motivaci: existují úlohy, u nichž klasický počítač naráží na hranice dané samotnou fyzikou. Dlouho se to bralo jen jako teoretická zajímavost pro úzký okruh vědců. Kdo by také kvůli simulaci molekul stavěl tak podivný přístroj?
Algoritmus, který se týkal každého
Zlom nastal v roce 1994. Matematik Peter Shor ukázal, že by kvantový počítač dokázal rozkládat velká čísla na prvočinitele v polynomiálním čase. Laikovi to může znít jako odtažitá matematika. Jenže právě na obtížnosti této úlohy stojí šifrování s veřejným klíčem, které chrání internetové bankovnictví, e-maily i většinu běžného provozu na síti.
Klasický počítač by se s rozkladem dostatečně dlouhého čísla trápil déle, než existuje vesmír. Shorův algoritmus na to jde oklikou. Místo postupného zkoušení jednotlivých dělitelů hledá v číslech skrytou periodu a využívá k tomu kvantovou interferenci: správné odpovědi se navzájem zesilují a ty chybné se vyruší.
Od té chvíle přestalo být kvantové počítání pouhou hračkou teoretiků. Najednou se dotýkalo bezpečnosti, na níž stojí celý digitální svět.
200 sekund proti 10 000 letům
Teorie je jedna věc, funkční stroj druhá. V roce 2019 publikoval tým společnosti Google v časopise Nature článek s odvážným názvem Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Procesor Sycamore s 53 qubity vyřešil specifickou úlohu – vzorkování náhodných kvantových obvodů – zhruba za 200 sekund. Nejvýkonnějšímu klasickému superpočítači by podle odhadu autorů trvala přibližně 10 000 let.
Úloha, kterou Sycamore řešil, neměla žádné praktické využití. Byla navržena tak, aby kvantovému čipu vyhovovala a klasickému stroji kladla co největší odpor.
Tento test měl jediný cíl: ukázat, že existuje alespoň jedno zadání, v němž kvantový stroj předčí klasický počítač. Svůj účel splnil. Žádnou šifru však neprolomil a žádnou molekulu nenasimuloval.
Jeden spolehlivý qubit potřebuje celou mřížku
Ani Sycamore, ani žádný jiný současný čip by Shorův algoritmus na skutečné šifře nespustil. Důvod je prozaický: qubity jsou mimořádně křehké. Stačí drobné teplo, vibrace nebo zbloudilé elektromagnetické pole a superpozice se rozpadne. Fyzici tento jev nazývají dekoherence.
Řešením je kvantová korekce chyb. Její nejslibnější podobu popsal v roce 2012 Austin Fowler se svými kolegy v přehledové práci Surface codes: Towards practical large-scale quantum computation. Jeden „logický“ qubit, s nímž program počítá, se v takzvaném povrchovém kódu rozprostře do celé mřížky fyzických qubitů. Ty se navzájem kontrolují a odhalí chybu dříve, než se stihne rozšířit. Funguje to podobně jako pěvecký sbor: jeden falešný hlas zanikne, protože ostatní drží čistý tón.
Daň za tuto spolehlivost je však vysoká. Časopis Quanta Magazine připomíná odhad z roku 2021, podle něhož by rozklad 2048bitového čísla pomocí Shorova algoritmu vyžadoval stroj s přibližně 20 miliony qubitů. Nejpokročilejší počítače přitom měly v době vydání článku nanejvýš několik stovek qubitů. Mezi teorií a praxí tedy zeje propast čtyř až pěti řádů.
Kde jsme dnes
V prosinci 2024 představil Google čip Willow se 105 qubity. Pro laika je podstatný především jeden údaj. Tým otestoval mřížky o rozměrech 3 × 3, 5 × 5 a 7 × 7 fyzických qubitů a s každým zvětšením klesla chybovost logického qubitu na polovinu. Přidávání dalších qubitů tedy chyby skutečně tlumilo, místo aby je hromadilo. K této kritické hranici se přitom vědci podle Googlu snažili přiblížit zhruba 30 let.
Nyní přichází ta méně líbivá část. Výsledky čipů Sycamore i Willow platí pro úzce vymezené úlohy a srovnání s klasickými superpočítači vychází z odhadů, které propočítali sami autoři. Od jednoho chráněného logického qubitu k milionům fyzických qubitů vede ještě dlouhá inženýrská cesta, která vyžaduje vyřešit chlazení, propojení, výrobu i samotné řízení. Kvantový počítač rovněž nezrychlí každou operaci. Na psaní v textovém editoru nebo hraní her se hodit nebude, protože jeho výhoda se uplatní jen u výpočtů se specifickou matematickou strukturou.
Když jsem si původní studie pročítal v chronologickém pořadí, nejvíce mě zarazilo, jak dlouho trvá cesta od první myšlenky k hmatatelnému stroji. Feynman svůj nápad vyslovil v době, kdy se osobní počítače teprve dostávaly na pracovní stoly. Za léta sledování trhů jsem si zvykl, že očekávání kolem každé nové technologie rostou rychleji než technologie samotná. U kvantových počítačů to platí dvojnásob. Zprávy o blížícím se „konci šifrování“ proto čtu s klidem. Naopak informace o tom, že s rostoucí velikostí čipu klesá chybovost, sleduji s mnohem větším zájmem.
Návrat k Feynmanovi
Je docela možné, že prvním skutečně užitečným úkolem kvantových strojů nebude prolamování šifer. Spíše půjde přesně o to, o čem mluvil už Feynman: o věrné napodobování molekul a materiálů, které jsou pro klasické počítače příliš složité. Po půl století by se tak pomyslný kruh uzavřel.
Příroda si zkrátka počítá sama. Zbývá ji jen naučit, aby se při tom tolik nepletla.
P.S.
Při psaní mě nejvíce bavilo zjištění, že se příběh kvantových počítačů po 45 letech vrací přesně tam, kde začal: k Feynmanově otázce, jak napodobit přírodu. Jestli vás zajímá více takových souvislostí mezi fyzikou a technologiemi, které denně používáte, podpořte mě prosím. Každý příspěvek se počítá.
