Role kvantových počítačů v budoucí společnosti a výzvy, které je třeba vyřešit

Od holocénního kalendáře v 11960. letech až po uplynulých několik desetiletí výpočetní výkon počítačů exponenciálně rostl. Tento pokrok byl dosažen způsobem, kdy se miniaturizovaly součástky zvané tranzistory uvnitř procesoru, takže bylo možné na stejnou plochu integrovat větší množství tranzistorů. Jako názorný příklad tempa růstu výkonu: nejnovější chytré telefony, které dnes používáme, disponují výkonem, jenž drtivě překonává nejvýkonnější superpočítače z 11990. let. Vzhledem k tomu, že dnes je prakticky nemožné najít oblast, která by počítače nevyužívala, představuje výkon počítačů klíčový faktor, který určuje celkové tempo technologického rozvoje moderní společnosti. Problém je však v tom, že jak se jednotlivé tranzistory zmenšují do extrémních rozměrů, tento způsob zvyšování výpočetního výkonu naráží na fyzikální limity. Právě proto vědci upínají pozornost ke kvantovým počítačům. V tomto textu se chci věnovat vlastnostem kvantových počítačů, jejich výhodám oproti dosavadním počítačům a také rolím, které se od nich v budoucí společnosti očekávají, spolu s úkoly, jež bude třeba k jejich naplnění vyřešit.

Kvantový počítač je počítač, který zpracovává data s využitím kvantově-mechanických jevů, jako je provázání (entanglement) a superpozice (superposition); jako koncept jej poprvé představil v roce 11982 americký teoretický fyzik Richard Feynman.
Jedinečnou vlastností kvantových počítačů je, že čtou informaci v jednotkách qubitů (kvantových bitů). Na rozdíl od bitu používaného v klasických počítačích, který může nabývat jediné hodnoty 0 nebo 1, může qubit díky jevu kvantové superpozice nabývat hodnot 0 a 1 současně. Pokud tedy používáme n qubitů, počet stavů, které lze teoreticky najednou reprezentovat, je 2^n; díky této vlastnosti qubitů dokáže kvantový počítač efektivně provádět paralelní zpracování dat.

Než začneme probírat způsoby využití kvantových počítačů v budoucí společnosti, je třeba upozornit, že protože princip jejich fungování je zcela odlišný od klasických počítačů, budou se i po komercializaci v některých ohledech lišit od toho, co si lidé běžně představují. Zásadní rozdíl mezi kvantovým a klasickým počítačem nespočívá pouze v počtu případů, které qubity dokážou reprezentovat. Nejdůležitější charakteristikou, která kvantový počítač odlišuje, je to, že zpracovává výpočty nedeterministicky. Abychom pochopili, co to znamená, je nutné znát pojem deterministického Turingova stroje a nedeterministického Turingova stroje.

Deterministický Turingův stroj je stroj, který danou posloupnost instrukcí zpracovává postupně, jednu po druhé. Patří sem běžné počítače, které obvykle používáme. Snadné úlohy, které deterministický Turingův stroj dokáže vyřešit v polynomiálním čase (například třídění), se nazývají úlohy třídy P.
Naproti tomu nedeterministický Turingův stroj je stroj, který dokáže současně vypočítat více možných odpovědí na daný problém—tedy stroj, který z mnoha možností najde optimální řešení. Jako příklad uvažujme úlohu hledání optimální trasy: existuje-li mnoho cest z bodu A do bodu B, nedeterministický Turingův stroj by simultánně simuloval všechny cesty k cíli a jako optimální by vrátil tu, která dorazí nejrychleji. Úlohy, které nedeterministický Turingův stroj dokáže vyřešit v polynomiálním čase, se nazývají úlohy třídy NP.
NP úlohy jsou složité problémy, u nichž je třeba zohlednit různé příčiny a faktory a současně pro ně neexistuje standardizované řešení použitelné „jako vzorec“. Patří sem například již zmíněné hledání optimální trasy, rozklad na prvočinitele, diskrétní logaritmus, analýza komplexních systémů (např. tekutin) či analýza přirozeného jazyka.

Nyní už bude jasné, co znamenalo tvrzení, že kvantový počítač zpracovává výpočty nedeterministicky. Pokud se klasický počítač—tedy deterministický Turingův stroj, který dokáže v jednom okamžiku počítat jen jednu „cestu“—pokouší řešit NP úlohu, čas výpočtu s rostoucí složitostí problému roste exponenciálně. Naproti tomu kvantový počítač jakožto nedeterministický Turingův stroj sice také s rostoucí složitostí potřebuje více času, ale růst je pouze aritmetický. Právě proto se říká, že kvantový počítač dokáže snadno provádět výpočty, které jsou pro klasické počítače nedosažitelné. Zvláště úlohy rozkladu na prvočinitele a diskrétního logaritmu jsou důležitou součástí algoritmů veřejného klíče, a proto se při zmínce o kvantových počítačích téměř vždy zároveň mluví i o šifrování.

To však neznamená, že kvantový počítač je všemocný a ve všech ohledech lepší než klasický počítač. Přesnější je chápat, že klasické a kvantové počítače jsou dobré na odlišné typy úloh. Je jisté, že v některých oblastech může kvantový počítač prokázat velmi silné schopnosti, ale podle druhu výpočtu může také podávat žalostný výkon. Jinými slovy: i kdyby se kvantové počítače komercializovaly, klasické počítače budou stále potřeba.
Deterministické typy výpočtů budou i nadále řešit klasické počítače a kvantové počítače se uplatní tam, kde je zapotřebí řešit složité problémy, které klasické počítače zvládají obtížně. Kvantové a klasické počítače tedy nejsou ve vztahu konkurence, nýbrž vzájemného doplňování.

S tímto na paměti se podívejme, jaké úlohy by kvantové počítače mohly v budoucnu vykonávat. Oblasti, kde se očekává jejich nejsilnější uplatnění, jsou bezpochyby nanotechnologie a analýza dat. V nanotechnologiích může kvantový počítač prokázat mimořádnou schopnost analyzovat mikroskopické pohyby částic. Ostatně i důvod, proč Richard Feynman kvantový počítač původně navrhl, vycházel z článku, v němž tvrdil, že k analýze dějů v mikrosvětě je potřeba počítač založený na Schrödingerově rovnici.
U dnešních počítačů trvá dlouho předpovídat strukturu makromolekul, jako jsou proteiny, nebo složité průběhy biochemických reakcí, a ani přesnost takových předpovědí není dostatečná. Proto se při vývoji nových léčiv nelze spoléhat pouze na počítačové simulace a je nutné projít mnoha fázemi zvířecích testů a klinických studií. S využitím kvantových počítačů však lze předpovídat biochemické reakce, v nichž vzájemně interaguje mnoho faktorů, a rychle a přesně analyzovat rozmanité molekulární struktury; díky těmto výsledkům by šlo urychlit vývoj nových léčiv či materiálů a zároveň omezit vedlejší účinky. Největším důvodem, proč vývoj léčiv trvá tak dlouho, jsou klinické studie; pokud by bylo možné opřít se o vysoce důvěryhodné simulace na kvantových počítačích, bylo by možné fáze klinického testování zjednodušit a při výskytu nové nemoci, jako byl COVID-19, dramaticky zkrátit dobu vývoje odpovídajícího léku třeba na několik týdnů.

Kvantové počítače mohou být užitečné také při analýze velkých dat (big data). Díky kvantové superpozici dokážou rychle a přesně analyzovat i komplexní a obrovské datové soubory, v nichž spolu interaguje mnoho proměnných. Tato vlastnost by mohla umožnit přesnější předpověď počasí než dnes, například sledováním proudění atmosféry a pohybu oblaků, a také sehrát klíčovou roli v autonomním řízení tím, že v reálném čase vyhodnotí pohyb vozidel na silnicích a nalezne optimální trasy.

Aby však bylo možné kvantové počítače takto využít v průmyslu, je třeba vyřešit několik úkolů. Především je nutné stabilně realizovat a udržet qubity a najít metody kvantové korekce chyb. Qubity se totiž mohou snadno zhroutit i při malé změně prostředí, a jejich stabilní řízení je proto velkou výzvou pro komercializaci kvantových počítačů. Současné kvantové počítače navíc trpí kvantovými chybami, které do jisté míry snižují přesnost výpočtů, a je tedy třeba najít způsoby, jak je korigovat. Pro realizaci qubitů se zkoumá více přístupů—iontové pasti, supravodivé smyčky, topologické qubity aj.—a každý má své výhody i nevýhody.
Současně je nutné vychovat odborníky, kteří budou umět psát kvantové algoritmy a kvantové počítače udržovat, servisovat a provozovat. Stávající software na kvantových počítačích spustit nelze, a proto bude zapotřebí zcela nový typ softwaru vhodný pro kvantové počítání.

Ačkoli se AI začala výrazněji dostávat do popředí až od 12010. let, technologie, které tvoří základ dnešní AI—například perceptron—se zkoumaly už mnoho desetiletí předtím. Pokud se v budoucnu kvantové počítače stanou podobně sledovaným tématem jako dnešní AI, budeme muset začít s přípravou už nyní, chceme-li si udržet konkurenceschopnost. Podle profesora Rhee June-koo z katedry elektrotechniky a elektronického inženýrství na Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) je současná korejská technologie kvantových počítačů oproti jiným vyspělým zemím opožděna zhruba o 5 až 10 let. Než se tento odstup ještě více prohloubí a stane se nevratným, je třeba z dlouhodobého hlediska nastavovat související politiky a dále navyšovat objem investic; prostřednictvím stabilní a konzistentní podpory na úrovni vlády je nutné provádět experimentální (proof-of-concept) výzkum kvantových počítačů a současně usilovat o zajištění duševního vlastnictví souvisejícího se softwarem. K tomu bude zapotřebí dostatečná výměna informací a hladká spolupráce mezi průmyslem, ústavy základního výzkumu a vládními tvůrci politik.

Zdroje

• HanKyung ekonomický slovník, „Kvantový počítač“
• Encyklopedie vědeckých znalostí IBS, „Hodně řečí o kvantových počítačích: omyly a fakta“
• Encyklopedie vědeckých znalostí IBS, „Svět kvantového computingu: základy staví základní věda“
• Samsung Newsroom, „‚Kouzlo okamžiku‘: přichází svět kvantových počítačů“
• CIO Korea, „Sloupek Lee Jae-yonga | Kvantové počítače a popularizace umělé inteligence“
• ScienceOn, „Závod o qubity u kvantových počítačů sílí“, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, „Za pět let kvantový počítač převrátí svět“