Éra kvantových počítačů přichází

Superpočítače zabírají na rozdíl od běžných stolních počítačů celé budovy. Jsou sestaveny z tisíců procesorů a mají stejný výkon jako stovky běžných PC. To, co dokáže superpočítač spočítat za jediný den, by trvalo běžnému domácímu PC několik let.

Tomu odpovídá také jejich cena. Superpočítače jsou stejně drahé jako luxusně zařízené rodinné domy. Takto výkonné stroje zkoumají lidskou DNA, dešifrují tajné informace nebo počítají pohyb vesmíru.

I když donedávna neměly superpočítače prakticky žádnou konkurenci, kvantové stroje mají potenciál všechno změnit. Přinesou výkon nesrovnatelný s dnešními stroji.

Ukázala to již na konci loňského roku společnost Google, když odhalila světu nový kvantový čip Willow. Ten dokázal během testů vyřešit extrémně složitý výpočetní problém za pouhých pět minut. Pro srovnání – stejný úkol by nejrychlejším dnešním superpočítačům trval déle, než kolik činí stáří celého vesmíru.

„Jedná se o zásadní milník na cestě ke skutečně funkčním kvantovým počítačům,“ stojí v prohlášení Googlu, které citovala agentura Reuters.

Podle Googlu čip Willow dosáhl výkonu, který nemá obdoby. Při testu zvládl výpočet, jehož provedení by klasickému superpočítači trvalo přibližně 10 kvadrilionů let (tj. 10 000 000 000 000 000 000 000 000 let). Toto číslo překračuje nejen lidskou představivost, ale i časové škály známé ve fyzice.

„Podporuje to teorii, že kvantové výpočty probíhají v mnoha paralelních vesmírech, což je v souladu s myšlenkou multivesmíru,“ odkazuje se Google na teorii fyzika Davida Deutsche.

V kvantových laboratořích Googlu v kalifornské Santa Barbaře dozajista vzniká technologie, která změní svět počítačů, jak ho dnes známe.

A podobný průlom ohlásila v uplynulém měsíci společnost Microsoft se svou novinkou zvanou Majorana 1, jde o první kvantový čip od amerického softwarového giganta. Ten není o moc větší než procesory běžných počítačů, výkon je ale samozřejmě nesrovnatelný.

Kvantová výpočetní technika vychází z vlastností subatomárních částic, které vědci zkoumají již několik desetiletí. Ty zcela mění způsob, jakým počítače pracují. Tradiční PC sestavy totiž pracují s bity v podobě jedniček a nul, proti tomu kvantové počítače využívají kvantové bity – tzv. qubity. Ty mohou být zároveň jedničkou i nulou, což jim umožňuje v praxi zpracovávat obrovské množství informací paralelně.

Klíčem k tomuto pokroku jsou jevy, jako je kvantové zapletení, kdy je jeden elektron na velkou vzdálenost propojen s jinou částicí, nebo superpozice, která umožňuje qubitům být „na několika místech zároveň“.

Kvantové počítače by díky tomu mohly vyřešit problémy, které jsou pro běžné počítače nedosažitelné – například v oblasti medicíny, klimatologie či umělé inteligence. Mezi takové mohou patřit optimalizační úlohy pro řešení elektronické struktury nových materiálů, řízení dopravy či přístavů.

V současnosti jsou identifikovány další možnosti uplatnění, které lze najít téměř ve všech vědeckých oblastech. Mimo jiné v automobilovém průmyslu, při vývoji nových elektrických baterií, v energetice, finančnictví, farmacii, kvantové chemii, kryptografii, ale také v kvantovém strojovém učení a mnoha dalších.

Zmiňovaný čip Majorana 1 od Microsoftu je výsledkem dlouholetého výzkumu a jeho vývoj se opírá o subatomární částici, známou jako Majorana fermion. Tato částice, o které se teoretizovalo již ve 30. letech 20. století, má unikátní vlastnosti, které mohou pomoci snížit chyby, jež jsou častým problémem v kvantových počítačích.

Právě kvůli chybovosti se počítalo s tím, že éra kvantových počítačů přijde až za několik desítek let – tedy až se podaří tento zásadní problém vyřešit. To se ale evidentně Microsoftu skutečně povedlo, díky čemuž bychom měli podle jeho zástupců očekávat nástup kvantových strojů již během pár let.

V oficiální prezentaci výzkumníci přiznali, že i přes teoretickou existenci této subatomární částice pro ně bylo velmi obtížné Majorana fermion identifikovat a ovládat. To se ale nyní podařilo, Majorana 1 je milníkem ve vývoji kvantových čipů.

Zajímavostí je, že Majorana 1 musí být uložena v kryogenním zařízení s nepřetržitým chlazením. Qubity jsou v něm udržovány při nižší teplotě, než jaká panuje ve vesmíru. To jinými slovy znamená při teplotě pod -270 °C.

Přesto je však vývoj kvantových počítačů určených ke komerčnímu využití stále ještě v podstatě na začátku. Google i Microsoft přesto věří, že kvantová revoluce je otázkou blízké budoucnosti. Nejde přitom o jediné technologické společnosti, které takto posouvají hranice. Usilovně na vlastním kvantovém stroji pracuje například i IBM.

Bezpečnostní experti nicméně varují, že s příchodem kvantových počítačů rostou také bezpečnostní rizika.

„Kvantové počítače sice ještě nejsou ve fázi, kdy by prolamovaly současné šifrovací systémy, ale tak zásadní problém je potřeba řešit s předstihem a hledat odpovídající řešení, dokud je čas,“ varoval bezpečnostní expert Check Pointu Daniel Šafář s tím, že už nyní je jasné, že se „zvýší počet úniků citlivých zdravotních a finančních dat, prolomí se šifrování některých kryptoměn a nad bezpečností vládních a vojenských tajemství budou viset otazníky“.

Současný vývoj ale nasvědčuje tomu, že bychom se komerčních kvantových počítačů mohli dočkat nejpozději v roce 2030. „Bez ohledu na to, kdy budou kvantové počítače dostupné, je důvod pro znepokojení zřejmý. Kybernetické války jsou smutnou realitou a profesionální a státy sponzorované hackerské skupiny kradou ta nejcitlivější data už nyní, aby je s nástupem kvantových počítačů mohly dešifrovat. Proto je nutné vyřešit zabezpečení informací, které mají zůstat v bezpečí i v budoucnu,“ podotkl Šafář.

Zmínil přitom, že už na konci roku 2022 podepsal americký prezident Joe Biden zákon, který má USA připravit na kybernetické hrozby spojené s kvantovými počítači.

„Současné šifrovací protokoly používané federální vládou mohou být jednou zranitelné, což by mohlo ohrozit národní bezpečnost. Americké federální úřady proto musí určit zranitelné informační technologie a vytvořit plán migrace stávajících systémů. Agentury zároveň budou muset vytvořit a neustále aktualizovat seznam informačních technologií, které mohou být kvantovými počítači ohroženy,“ uvedl bezpečnostní expert.