Výpočetní technologie, které pracují na principu nul a jedniček, budou mít v následujících letech velkou konkurenci. Americká společnost zveřejnila harmonogram, podle kterého by mohly kvantové počítače překonat svým výkonem ty běžné už v horizontu několika let.
Vysoká rychlost, neprolomitelné zabezpečení i úspory elektrické energie. To vše může přinést nástup technologií založených na principu kvantové mechaniky, jejíž pravidla jsou oproti těm platným v makrosvětě poněkud zvláštní. Informace se sice rovněž ukládají ve formě kódu složeného z jedniček a nul, díky tzv. principu superpozice však můžou dvě částice, které reprezentují danou informaci, nést dva pravděpodobnostní stavy zároveň. Tato vlastnost exponenciálně zvyšuje výpočetní kapacitu počítačů – např. čtyři bity se mohou nacházet zároveň v šestnácti pravděpodobnostních pozicích, což značně šetří čas výpočtů i vynaloženou energii.
Lepší v roce 2023
Kvantové technologie jsou vyvíjeny už několik desetiletí, dosud se však jednalo jen o vědecké prototypy zařízení, které svou účinností prozatím strojům založeným na provádění binárních operací nekonkurovaly. Počet qubitů – tedy jednotek kvantové informace – v nových strojích zatím dosáhl nejvíce čísla 65. Tento počítač už může nést 265 informací, tedy více, než může být schopný pojmout jakýkoli počítač dnešního typu.
Změna však může nastat už v dohledné době. Americká společnost, která v současnosti stojí v čele vývoje kvantových počítačů, ve svém harmonogramu plánuje zprovoznit výpočetní systém Condor s 1 121 qubity už v roce 2023. V následujících letech počítá dokonce s vývojem počítačů s miliony qubity.
Nové systémy budou na domácí použití patrně výkonné až příliš. Složité výpočty realizované například astronomy či jadernými fyziky běžný uživatel jen tak nevyužije, přesto na sebe nová využití kvantových technologií v budoucnu nenechají dlouho čekat. „Využití kvantových jevů v informatice, zpracování dat, komunikaci a elektronice slibuje podobný zlom, jakým byl nástup integrovaných obvodů v 60. letech,“ tvrdí děkan Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT Igor Jex.
Bezpečnost především
Největší výhodou nových systémů pro všechny se ovšem stane možnost mnohem bezpečnějšího šifrování dat či komunikace. Kybernetická bezpečnost pracuje s určitým algoritmem, kterým jsou informace šifrovány. Skutečnou zárukou bezpečnosti by měl být klíč, pomocí kterého lze data odtajnit. V tomto ohledu se v kryptografii využívá matematické pravděpodobnosti – klíčů musí být takové množství, aby se šance na jeho odhalení rovnala prakticky nule.
Šifrovací standard v dnešních systémech je označován zkratkou AES, jeho klíč lze vyjádřit binárním kódem o 256 bitech. Pokud může být každý bit zaplněn číslem nula nebo jedna, existuje celkem 2256 možností klíče. Jejich celkový počet tak představuje číslo o 78 cifrách a jeho uhodnutí v reálném čase je prakticky nemožné, určitá pravděpodobnost zde však existuje.
V případě kvantových počítačů však už z fyzikální podstaty chování fotonů i tato teoretická možnost odpadá a při použití šifry, kterou je z matematického hlediska nemožné vyřešit, se tak kódování považuje za neprolomitelné.
Vizualizace quibutu – nejmenší jednotka kvantové informace, zdroj:Wikipedie
Sekundy místo miliard let
Přímý důkaz využití výpočtu pomocí kvantového počítače v praxi ukázal kolektiv čínských vědců z Čínské univerzity vědy a technologie. Ve svém článku zveřejněném v prosinci minulého roku jedním z nejprestižnějších vědeckých časopisů zveřejnili výpočet tzv. náhodného vzorkování bosonů, který by nejvýkonnější počítač současnosti, Fugaku, založený na běžném systému dvou pravdivostních hodnot počítal 2,5 miliardy let. Kvantovému systému Jiuzhang však výpočet trval pouhých 200 sekund. Zajímavostí je, že algoritmus užitý k dokázání kvantové nadřazenosti, jak se důkazy o užitečnosti kvantových počítačů označují, vyvinul ve spolupráci s Craigem Hamiltonem současný děkan FJFI ČVUT Igor Jex.
Vzorkování znamená odhadnout pomocí několika měření zastoupení dat v celém souboru, boson je pak jedna z částic. Podobný experiment před čínskými vědci provedla také jedna z největších technologických firem světa, když její kvantový procesor Sycamore spočítal úlohu za 200 sekund namísto deseti let v případě superpočítače. Výrobce tohoto stroje však výpočty společnosti zpochybnil, podle něj by měl úkol zvládnout superpočítač v řádu dnů a navíc oproti kvantovému stroji přesněji.
Miniaturizace v praxi
I přes technologickou náročnost výroby i provozu technologií založených na někdy bizarních pravidlech částicové fyziky se zdá být zřejmé, že dobu kvantovou jen tak něco nezastaví. Tranzistory – stavební kameny integrovaného obvodu v počítačích – již dosahují své limitní konstrukční velikosti vzhledem k velikosti jednotlivých atomů křemíku, ze kterého se vyrábějí. Podle empirických pravidel by tak svého limitu mohly dosáhnout už v příštím roce. A protože se další zmenšování elektrosoučástek patrně nezastaví, využití kvantového charakteru částic se nabízí.
V oblasti kvantových technologií zanechali stopu také čeští odborníci. Mnoho let se jejich výzkumem zabývají vědci z ČVUT, kde loni otevřeli nový doktorský obor studia zaměřený na kvantové technologie. „Přestože už se objevily první kvantové počítače a některé poznatky kvantové fyziky – jako jsou polovodičové součástky, jaderná energetika, lasery, magnetická rezonance, uhlíková vlákna, mikroskopie a některé další technologie už v běžném životě využíváme, celá oblast kvantových technologií je stále na začátku svého vývoje,“ vysvětluje fyzik působící na FJFI Ivan Richter.