Kvantový počítač PsiQuantum: Jak zkrotit světlo v nejchladnějším mrazáku planety

Nebo stroj, který by zkrátil vývoj nového život zachraňujícího léku z deseti let na pouhé čtyři minuty. Zní to neuvěřitelně, ale přesně o to se teď pokoušejí inženýři v laboratořích firmy PsiQuantum. Jejich superpočítač ale nebude k výpočtům používat klasickou elektřinu a křemíkové tranzistory. Rozhodli se postavit stroj, kde data přenáší samotné světlo uvězněné v ocelových skříních chladnějších, než je hluboký vesmír.

Původně jsem chtěl napsat jen klasickou technologickou aktualitu o jednom ambiciózním projektu. Jenže během hlubokých rešerší mě psaní tohoto článku dovedlo k mnohem většímu vhledu. Uvědomil jsem si, že právě na tomto fascinujícím příkladu ze světa fotonů vám dokážu nejlépe a zcela laicky vysvětlit, jak funguje samotná podstata a skrytá síla všech kvantových počítačů. Jak to celé funguje, je totiž možná ještě větší záhada než samotné sliby o rychlých lécích. Jedním ze zakladatelů firmy je navíc Terry Rudolph – vnuk slavného fyzika Erwina Schrödingera. Pojďme se podívat, jak chce tato parta vědců přepsat zažité zákonitosti informatiky.

U klasických kvantových počítačů, které staví například Google nebo IBM, je qubit (kvantový bit) pevně daná fyzická věc na čipu – nejčastěji malá supravodivá smyčka z kovu. V optickém počítači od PsiQuantum je ale qubitem samotný foton, tedy jedna jediná základní částice světla.

Abych vám vysvětlil, v čem se skrývá ta neuvěřitelná výpočetní síla a proč něco takového pro budoucí pokrok nevyhnutelně potřebujeme, musím na chvíli opustit laboratoř a vzít si na pomoc obyčejnou minci.

Běžný počítač (ten, na kterém možná právě čtete tento článek) používá klasické bity. Představte si takový bit jako minci, která leží klidně na stole. Může na ní padnout buď panna (stav 1), nebo orel (stav 0). Nic mezi tím. Pokud máte dvě takové mince, existují sice čtyři možné kombinace, ale mince na stole vždy ukazují jen jednu jedinou z nich (například panna-orel). Váš klasický procesor si tak musí zkoušet různé varianty hezky jednu po druhé.

Qubit je ale jiný. Představte si ho jako minci, kterou roztočíte na desce stolu. Dokud se točí a vy ji nezastavíte rukou (fyzikálně ji nezměříte), je z ní jen šedá rotující šmouha. V ten moment je mincí, na které padla panna i orel současně. Tomuto neintuitivnímu stavu říkáme superpozice.

A teď přichází ta pravá magie – exponenciální růst. Pokud roztočíte dvě kvantové mince najednou, systém v sobě nese všechny čtyři kombinace současně. Tři mince jich obsáhnou osm. Vtip je v tom, že výkon tu neroste sčítáním, ale násobením. Když se vám podaří provázat a „roztočit“ pouhých 300 takových mincí, kvantový počítač v jeden okamžik dokáže pojmout více informací, než je atomů v celém viditelném vesmíru.

Tohle je ten hlavní důvod, proč se vědci vůbec snaží kvantové stroje postavit. Příroda kolem nás, chemické reakce nebo chování elektronů v molekulách léků nefungují lineárně. Je to obrovsky složitý propletenec, kde vše reaguje se vším naráz. Klasický počítač na simulaci takové reality jednoduše nemá paměť a trvalo by mu to miliony let. Kvantový počítač to zvládne, protože jeho „roztočené mince“ fungují podle naprosto stejných zákonitostí mikrosvěta jako samotná příroda, kterou se snažíme simulovat.

Jak ale z jednoho letícího fotonu uděláme takovou roztočenou minci? Inženýři z PsiQuantum vytvořili na křemíkovém čipu dvě mikroskopické, rovnoběžné trubičky (světlovody), kterými může světlo putovat:

Pokud foton letí horní trubičkou, pro počítač to znamená stav 0.
Pokud foton letí dolní trubičkou, znamená to stav 1.

Samotné roztočení naší pomyslné mince se odehraje v momentě, kdy fotonu postavíme do cesty speciální polopropustné zrcadlo (dělič paprsků). Kvantová fyzika totiž foton nenutí, aby si vybral jen jednu jedinou cestu. Jeho vlnová povaha se rozdělí a částice letí oběma trubičkami současně. V ten moment je foton v superpozici, je nulou i jedničkou naráz, a náš optický qubit je na světě.

Teď musím uvést na pravou míru ten největší mýtus, který o kvantových počítačích koluje. Často se dočtete, že tyto stroje prostě zkoušejí miliony řešení paralelně v jeden okamžik a pak jako kouzlem vyberou to správné. To je ale omyl. Kdyby to počítač udělal, na samotném konci by při měření jeho vlnová funkce náhodně zkolabovala a vyplivla by vám s obrovskou pravděpodobností úplně špatný výsledek.

Skutečné kouzlo kvantových výpočtů se jmenuje interference – tedy vzájemné skládání a vyrušování vln. Pro lepší pochopení tohoto jevu vám doporučuji můj text o tom, co je to superpozice a vlnová funkce, ale ve zkratce:

Představte si to zrcadlové bludiště na optickém čipu jako hladinu rybníka, do kterého hodíte několik kamenů. Vlny se začnou šířit, křížit a narážet do sebe. Na některých místech se potká vrchol vlny s dnem jiné vlny, čímž se obě vlny navzájem úplně vymažou. Tomu se říká destruktivní interference. Na jiných místech se potkají dva vrcholy, spojí své síly a vytvoří jednu obří vlnu. To je konstruktivní interference.

A přesně takto funguje kvantový algoritmus. Inženýři v PsiQuantum navrhují bludiště zrcadel tak šikovně, aby fotony letící po špatných drahách (reprezentující nesprávné odpovědi) do sebe narážely jako vlny na rybníce a navzájem se vyrušily. Naopak dráhy, které vedou ke správnému výsledku, se v bludišti spojí a vzájemně se zesílí. Z bludiště tak na konci k detektorům nedorazí náhodná směsice dat, ale pouze ta jediná světelná vlna, která jako jediná přežila toto masivní vzájemné vyhlazování špatných cest.

Měřením indukované provázání: Jak propojit světelné duchy?
Aby se mohly světelné vlny v bludišti vůbec vyrušovat, musíme je navzájem propojit (kvantově provázat). Jenže fotony se v přírodě ignorují a procházejí skrz sebe jako duchové. V PsiQuantum to vyřešili tak, že pošlou dva fotony na jednu zrcadlovou křižovatku a hned za ní jeden z nich bleskově změří na detektoru. Tím ho sice zničí, ale tento fyzikální kolaps v bodě křížení okamžitě a nevratně změní stav druhého fotonu, který letí dál. Foton B teď v sobě nese informaci o fotonu A. Když takto propletete miliony fotonů, vytvoříte jedno obří propletené klubko světla, kde jedno jediné měření spustí dominový efekt napříč celým strojem.

Možná vás teď napadá otázka: Jak proboha souvisí poletování světla v mrazáku s vývojem nové baterie pro elektromobily nebo simulací léků? Jak se takový stroj vůbec ovládá, když nemá klávesnici?

Tajemství tkví v tom, že kvantový počítač v reálu nespouští žádný kód. Je to fyzikální simulátor. Do optického čipu sice nelze fyzicky nacpat reálný atom lithia, ale vědci do něj dokážou promítnout jeho přesný matematický popis. Tomuto procesu se říká kvantové mapování.

Představte si atom lithia uvnitř baterie: má kolem sebe elektrony, které obíhají v drahách (orbitalech). Každý takový orbital může být buď prázdný (0), nebo obsazený elektronem (1). Síly, jakými se tyto elektrony navzájem odpuzují a jaké mají energie, popisují složité matematické rovnice.

Kvantový překladač udělá to, že vezme tyto rovnice atomu lithia a doslova je namapuje na fotony. Určí, že orbital číslo 1 bude reprezentovat foton A a orbital číslo 2 bude foton B. Sílu, kterou se tyto elektrony odpuzují, pak překladač nastaví jako fyzické překážky v labyrintu čipu. Upraví polohu zrcadel tak, aby se dráhy fotonů křížily přesně v těch poměrech, v jakých na sebe působí elektrony v atomu. Jak fotony letí přesně nastaveným bludištěm, procházejí naprosto stejnými matematickými proměnami, jaké by zažívaly reálné elektrony v baterii. Fyzika světla v mrazáku simuluje fyziku atomu v materiálu.

Jak to bude vypadat v praxi, až se systém naplno rozběhne? Celá věda se bude ovládat pohodlně na dálku. Výzkumník v automobilce Mercedes-Benz, která už s PsiQuantum uzavřela partnerství, nebude muset osobně jezdit k obřímu počítači.

Celý proces zvládne v několika krocích:

Zadání problému: Chemik v Mercedesu popíše strukturu nové molekuly pro baterii a zadá úkol: „Chci vědět, zda bude toto uspořádání atomů stabilní.“

Přeložení do instrukcí: Speciální software překladače (platforma Construct od PsiQuantum) vezme tento chemický problém na běžném počítači a přeloží ho do podoby „notového zápisu“ pro světlo. Vytvoří přesný sled instrukcí (např. vystřel foton A v čase X, otoč optický spínač číslo 12, změř výsledek na detektoru Y).

Odeslání do cloudu: Tento digitální plán se odešle přes internet přímo do datového centra PsiQuantum.

Fyzické spuštění: Klasický řídicí počítač v datovém centru instrukce přijme a podle nich začne ovládat fyzické lasery a optické spínače na čipech. Vystřelí miliony fotonů do připraveného labyrintu zrcadel. O tom, jak hluboce jsou naše moderní technologie závislé na transformaci energie a informací, píšu podrobněji v článku o původu moderních technologií.

Výsledek v prohlížeči: Detektory zachytí ty fotony, které propluly systémem a nebyly vyrušeny. Řídicí počítač vyhodnotí jejich statistiku a pošle výzkumníkovi do Mercedesu hotovou odpověď.

Samotný počítač od PsiQuantum rozhodně nebude žádný elegantní tablet na stůl. Bude to masivní komplex připomínající křížence datového centra a industriální chemičky. Jeho srdcem bude zhruba stovka nerezových skříní propojených masivním potrubím s tekutým héliem.

Světlo jako takové sice chladit nepotřebujeme, ale ty extrémně citlivé detektory na konci labyrintu ano. Aby dokázaly spolehlivě zaznamenat náraz jediného titěrného fotonu a nespletly si ho s okolním šumem, musí být podchlazeny na teplotu kolem -271 °C. To je pouhých 1,5 stupně nad absolutní nulou – tedy teplota nižší než v hlubokém mezihvězdném prostoru. Jakékoliv teplo z okolí by totiž detektory oslepilo a celý výpočet by okamžitě zničilo. Více o tom, jak se neviditelné elektromagnetické vlnění chová v prostoru a jak ho měříme, najdete v mém textu o spektru vln.

PsiQuantum má před sebou jasně vytyčenou trasu. Jejich marketingovým cílem je postavit systém s jedním milionem qubitů. Koncem roku 2027 by měla být jejich obří výpočetní centrála v Austrálii hardwarově připravena (to znamená, že budou stát budovy a poběží chladicí systémy) a začne se s postupnou instalací samotných optických čipů.

Pojďme se na to ale podívat střízlivě a bez příkras. Pojem „jeden milion qubitů“ zní ohromně, jenže jde o takzvané fyzické qubity. Kvantové stavy jsou extrémně křehké a náchylné k chybám (stačí nepatrný výkyv teploty). Aby počítač vůbec mohl spolehlivě počítat, spotřebuje drtivou většinu (až 99,9 %) těchto qubitů jen na neustálou detekci a opravu vlastních chyb. V praxi se tak z onoho milionu poletujících fyzických qubitů složí zhruba 100 až 1000 „logických“ qubitů, které jsou plně stabilní a reálně provedou výpočet. Zní to jako málo, ale i takový počet už stačí na vyřešení problémů, se kterými by si klasický superpočítač neporadil ani za milion let.

Až se tento gigantický stroj rozběhne, jeho první úkoly nebudou z oblasti šifrování, ale z oblasti čisté fyziky a chemie. Airbus se s nimi snaží spočítat plynulé proudění vzduchu kolem křídel letadel a farmaceutické firmy doufají, že díky simulaci enzymu P450 dokážou analyzovat účinky léků během několika minut místo letitého testování v laboratořích. O tom, jak přesně tyto buněčné zámky pro léky v našich tělech fungují, si můžete přečíst v mém starším článku o mechanismech léků.

V oblasti kvantových technologií se termíny posouvají neuvěřitelně snadno. Zatímco firmy jako Google nebo IBM veřejně publikují každý svůj drobný krůček i slepou uličku, PsiQuantum si své know-how střeží a funguje spíše jako černá skříňka. Vládní kontroly sice hlásí opatrný optimismus a americká armádní agentura DARPA věří, že funkční užitečný kvantový počítač někdo na světě postaví do roku 2033, ale dokud neuvidíme reálné výsledky z praxe, musíme brát veškeré sliby se zdravou dávkou skepticismu.

Cesta k ovládnutí kvantového světa je nesmírně složitá, ale pokud se těmto vědcům opravdu podaří zkrotit světlo v mrazivém labyrintu, lidstvo získá nástroj, který posune naše vědecké možnosti o celé generace kupředu.