Iluze kvantových počítačů: quantum computing stále v nedohlednu

Ono to není jednoduché. Kvantová fyzika sama o sobě je pro lidský mozek jen těžko pochopitelná: i relativně jednoduché experimenty, jako je kupříkladu Schrödingerova kočka – základní myšlenkový experiment, který ilustruje právě kvantovou superpozici –, je velmi často vykládán špatně.
Je pro nás zkrátka těžké pochopit něco, co přesahuje hranice běžné fyziky, věcí, jež si můžeme osahat a které jsou relativně stabilní.
O to víc je ale znát rozdíl mezi tím, jak by teoreticky kvantové počítače měly fungovat, a mezi tím, čeho skutečně dosáhneme.

Není kvantum jako kvantum

Nad současnou cestou vývoje kvantových počítačů nelze přemýšlet než jen jako nad specializovaným rozšířením běžných křemíkových technologií. Kvantové počítače skutečně dokážou některé činnosti neuvěřitelně urychlit, avšak musejí k tomu být specificky postavené a naprogramované. To by se mohlo v budoucnu změnit, ale zatím to možné není.

Vývoj se také omezuje na poměrně malý počet firem, obvykle nadnárodních gigantů, jež mají dostatek peněz navíc, které mohou „vyhodit" na vývoj zařízení, u nichž není užitek tak úplně jednoznačný. Vývoj skutečně je nákladný, nejen vlivem výzkumu vyžadujícího špičkové vědce a to nejlepší možné vybavení, ale také kvůli prostým provozním nákladům. K dosažení kvantové superpozice je potřeba qubity udržovat o teplotách blízkých absolutní nule. Tekutý dusík a další podobné materiály využívané k chlazení opravdu nepatří mezi nejlevnější.

Už ke konci roku 2019 Google tvrdil, že dosáhl kvantové nadvlády. To se setkalo s oprávněnou skepsí u těch, kdo blízce sledují často přehnaná tvrzení IBM nebo D-Wave. Ač průkopníci kvantových počítačů, stále jen o dílčí úspěchy na cestě k něčemu těžko hmatatelnému za současného stavu R&D.
Google samozřejmě kvantové nadvlády nedosáhl. Čip, který inženýři v Google Sycamore vytvořili, má 54 qubitů tvořených svazky supravodivých drátů a hliníku – tedy běžných křemíkových technologií. Jediným rozdílem je, tradičně, ochlazení na extrémně nízké teploty. Veškerý zbytek je úplně normální elektronika, taková, jakou máme v počítačích, mobilech a domácím IoT.

IBM okamžitě tvrzení zkritizovalo a v podstatě ho shodilo ze stolu. Firma rychle potvrdila, že její vlastní tradiční superpočítač by výpočet kvantového čipu Googlu dokázal rychlostně téměř vyrovnat, a navíc ho provést s výrazně vyšší přesností.

Ano, jde o kvantový, programovatelný čip – ovšem založený na limitech běžné křemíkové elektroniky. Tento fakt snadno uniká našim představám, ale sebelepší kvantový počítač nemůže způsobit další počítačovou revoluci už jen díky jednoduchému faktu, a to že bude stále založen na technologiích omezených prvky, z nichž se skládá; a protože naše elektronika staví na materiálech jako měď, hliník, křemík, lithium a podobně, nemůže se kvantový počítač odlišovat o moc víc než výkonem, velikostí a svou specializací.

Limity křemíku

Vskutku, tato specializace je primárním důvodem výzkumu kvantových počítačů. Vědce i inženýry primárně zajímá jejich neuvěřitelná rychlost, kterou dokážou vyvinout u extrémně komplikovaných simulací. Výpočty, které by i na nejrychlejších superpočítačích současnosti trvaly roky, by specializovaný kvantový počítač dokázal během minut. Lákavé jsou takové aplikace třeba u průzkumu vesmíru a podobně, kde je mnoho neznámých a mnoho proměnných.

Problémem kvantových technologií je ovšem jejich nepřesnost. Skutečně, kvantové počítače, vzhledem k jejich povaze a základnímu principu fungování, je těžké udělat přesné. Což o to, matematika, na které kvantové algoritmy stavějí, je dobře zvládnutá a vědci s ní problém, zjednodušeně řečeno, nemají.
Ovšem kvantové počítače musejí opravovat malé chyby, které se v obvodech objevují – ty jsou způsobené tím, jak prvky čipů interagují v nedokonalém prostředí s qubity. Qubity ztrácejí stabilitu ve zlomku setiny sekundy a náhodné chyby jsou něco, co je nevyhnutelné v téměř jakémkoliv systému.

Zatímco klasické stroje ale koncept opravují v podstatě zaokrouhlováním (dejme tomu, opět silně zjednodušeně, koncept tresholdingu by byl na delší vysvětlování) a redundancí, kvantové chyby se opravují výrazně hůř. Dokonce tak složitě, že se zatím žádné z firem nepovedlo vytvořit takový superpočítač, u nějž by míra chybovosti byla přijatelně nízká.

Komplikací je, že nikdo zatím nepřišel na to, jak tuto potíž řešit. Jde o tak vážnou záležitost, že by právě problém opravy chyb mohl způsobit, že se kvantové počítače nikdy pořádně nedostanou do komerční sféry, alespoň nikoli na křemíkovém základě.

Co naopak tímto problémem netrpí a na co se zaměřují i firmy, které jinak vývoj kvantových počítačů nezajímá, je kvantová kryptografie.

Bezpečnost je kvantová už teď

V kvantové kryptografii hrají prim jednotlivé qubity, které lze izolovat od okolí na dostatečně dlouhou dobu na to, aby zvládly učinit své výpočty bez významnějšího vystavení svému okolí, a tedy bez rizika závažných chyb. Pomocí kvantové kryptografie lze mezi uživateli vyměňovat dlouhé sekvence čísel (opravdu velmi dlouhé), které fungují jako šifrovací klíče zabezpečující data.

Tento kvantový princip nabízí využití u zabezpečení komunikace mezi satelity, vojenskými technologiemi, jako jsou radary, námořní lodě, letadla a podobně; jenže kvantová kryptografie je, poněkud nudně, v podstatě běžnou kryptografií, která jen pracuje s qubity. Její výhoda spočívá v tom, že klíče jsou zkrátka o mnoho delší, a těžko je tak lze prolomit běžnými metodami; a naopak, běžné klíče je možné o to snáze prolomit, čím výkonnější je zařízení potenciálního útočníka.

Kvantová kryptografie také není žádnou technologií budoucnosti, ale normálně se používá. Omezené využití nachází v bankovnictví a zřejmě také u nejpokročilejších vojenských zařízení: tam je ovšem ověřené zprávy prakticky nemožné získat.

Aby měla kvantová kryptografie opravdu smysl, musela by pracovat na základě kvantového přenosu informací na úplně nových algoritmech. I na tom se v omezené míře pracuje, ale to už je opět otázka budoucnosti, a zdá se, že vzdálené.

Čím více se o kvantových technologiích mluví, tím více se zdá, že k nim máme dost daleko. Google, IBM, Microsoft, D-Wave a další se předhánějí ve svých úspěších, ovšem jejich souboj připomíná válku mravenců na planetě obrů.
Problémem je hlavně to, že různé studie poukazují na „dosud nepřekonatelný" problém kvantových počítačů. Těchto jasně identifikovaných komplikací je ale hodně, od dekoherence, tedy chyb, o nichž jsme mluvili výše, přes nerealistické představy o jejich fungování až po technologické hranice, kterých jsme schopní dosáhnout. O tom, že tu kvantové počítače běžně budou za dvacet až třicet let, se mluví už od 80. let, a to jsou předpovědi relativně skeptických vědců. Nadšenci říkají za pět až deset let – už desítky let.
Ne, budeme si muset ještě počkat. Je krásné snít a důležité financovat pokroky a vývoj a výzkum, ale nepočítejme s tím, že ze dne na den přijde nějaký úžasný skok a brzy budeme pracovat běžně na kvantových počítačích. To je představa bohužel zcela nerealistická.