Kvantové počítače jsou možná na dohled

Značně exotická technologie zvaná kvantové počítání je možná blíže realitě, než se zdá. První kvantový počítač byl totiž prodán do komerčního sektoru a v oboru se objevila i celá řada dalších nadějných novinek.

Kvantové počítače jsou možná na dohled


Velkým překvapením se na počátku léta stala zpráva, že Lockheed Martin, americká společnost podnikající v leteckém, kosmickém a vojenském průmyslu, zakoupila kvantový počítač od kanadské firmy D-Wave. Jde o první transakci tohoto typu, tedy koupi a nasazení kvantových počítačů do reálného provozu v komerčním sektoru.

Řada expertů v minulosti vyjadřovala pochybnosti, zda systémy D-Wave opravdu pracují na základě kvantových efektů, nicméně letos v květnu byl v časopisu Nature publikován článek, který fungování tohoto kvantového počítače údajně demonstroval přesvědčivým způsobem. D-Wave tvrdí, že dodaný počítač je 128qubitový, podle jiných názorů jde ale o 16 8qubitových modulů. Vzhledem k tomu, že výpočetní výkon kvantového počítače závisí exponenciálně na počtu qubitů, zdaleka to není totéž.

Po pravdě řečeno, s transakcí je spojena i celá řada dalších otazníků. Neexistuje žádný důkaz, že by kvantový počítač D-Wave mohl jakýkoliv problém vyřešit efektivněji než současné počítače klasické. Lockheed Martin navíc ani neoznámila, jaký typ výpočtů chce vlastně pomocí kvantového počítače realizovat. Ať tak či onak, na výsledek tedy bude třeba ještě počkat.

Co se týče technických podrobností, dodaný systém pracuje na bázi miniaturních polovodičových smyček, kde je informace reprezentována směrem spinu. Počítač ovšem funguje při teplotě těsně nad absolutní nulou, takže D-Wave se musela zavázat i k tomu, že zajistí údržbu a prostředí potřebné k tomu, aby systém vůbec fungoval.

Nové materiály

Vědci z Rice University a Princeton University publikovali ve Physical Review Letters článek o novém materiálu, údajně speciálně vhodném pro kvantové počítače. Měl umožnit vytvářet kvantové registry odolné vůči chybám (fault tolerant), což zatím představovalo významnou překážku. Jedná se ovšem o značně bizarní formu hmoty, kterou si lze představit jako částici s elektrickým nábojem o velikosti 1/4 náboje elektronu. Výchozím materiálem pro „výrobu“ této látky byly elektrony chycené za extrémně nízké teploty v magnetické pasti. Jde o speciální stav tzv. Hallových kapalin, což je ovšem forma hmoty značně exotická: její příprava vyžaduje např. teplotu pouhého 1/10 000 stupně nad absolutní nulou a údajně nejčistší galium arsenid na naší planetě.

Propojení s křemíkem

Extrémní podmínky, které vyžadují současné kvantové počítače, samozřejmě vyvolávají otázku, zda by nestál za úvahu jiný přístup: využít výhodné vlastnosti qubitů, ale současně systém napojit na už existující architekturu klasických počítačů (vstup, výstup, paměť…).

John Morton z Univerzity v Oxfordu a jeho tým použili plátek křemíku osazený atomy fosforu. Ochladili ho na několik stupňů nad absolutní nulu. Směr spinů elektronů v atomech fosforu se pak zarovnal vnějším magnetickým polem a propletených stavů se podařilo docílit dvěma mikrovlnnými pulzy, přičemž první spin vytvořil požadovaný stav spinu elektronů, druhý pulz pak nuceně propojil elektron nejblíže atomového jádra fosforu s tímto jádrem.

Dalším krokem by mělo být propletení atomových jader a elektronů fosforu rozšířeno i na podkladovou křemíkovou mřížku. Výpočet by měl běžet po křemíkovém podkladu asi jako niť, mezivýsledky by se získávaly měřením spinu na mřížce a předávaly do dalšího kroku.

Samozřejmě zbývá otázka, jak to, že když cílem výzkumu bylo eliminovat extrémní podmínky, stále se vyžaduje teplota blížící se absolutní nule.

Oprava chyb

Vědci z Ústavu experimentální fyziky na univerzitě v Innsbrucku a Rakouské akademie věd dokázali, jak kvantový počítač zvládne opakovaně opravovat své chyby.

V průběhu ukládání dat nebo jejich přenosu může dojít k narušení informace, v tom se kvantové počítače nijak neliší od klasických. Rozdíl je, že v klasickém počítání má problém snadné řešení – data se zpracovávají paralelně vedle sebe několikrát, a pokud dojde k nějakým problémům, je za správný brán nejčastěji se vyskytující výsledek.

Kvantové systémy jsou na vlivy prostředí ještě citlivější (viz ono často opakované „nelze se podívat bez toho, aby to systém ovlivnilo“), takže efektivní mechanismus pro automatickou korekci chyb je zde potřeba zvlášť naléhavě. Problém je však v tom, že kvantovou informaci nelze kopírovat, respektive při tom nevznikne „kopie“ právě proto, že tyto procesy už podobu informace ovlivní. Není tedy, na rozdíl od klasických počítačů, možné provádět např. uložení dat nebo jejich přenos opakovaně a výsledky pak porovnávat.

Oprava se proto pomocí nového přístupu realizuje na principu kvantového propletení (entaglement). Aktivní složkou je zde pomocný qubit, jenž opraví hodnotu qubitu, na němž došlo k chybě. Po provedení opravy jsou pomocné bity resetovány pomocí laserového paprsku, a mohou tedy fungovat znovu. To je samozřejmě nutné, protože pro reálné nasazení je potřeba nikoliv jen jednorázová, ale automatická a opakovaná korekce chyb.

Kvantová entropie a chlazení

Poslední novinka se netýká kvantových efektů přímo při provádění algoritmů, ale jejich využití pro chlazení. Nejde přitom zdaleka jen o záležitost teorie, protože chlazení počítačů dnes stojí čím dál více energie a s pokračující miniaturizací je tyto procesy obtížné vůbec realizovat.

Proces zpracování informace obecně podléhá druhému zákonu termodynamiky o růstu entropie. Jakákoliv operace v počítačích proto povede k uvolnění tepla (nejméně uspořádané formy energie). Zdá se být proto absurdní, že by se počítače mohly prováděním aritmetických operací naopak chladit. Nicméně přesto to takhle údajně může fungovat. Lze vzít obsah paměti kvantově provázaný (opět – entanglement) s dalšími objekty a vymazání paměti pak prý povede k ochlazení.

Jak je to možné? Vždyť vymazání bitů z paměti je prostě operace jako každá jiná (třeba zápis), takže by při ní mělo dojít k nárůstu entropie projevující se uvolněním tepla. Což už v roce 1961 prokázal fyzik Rolf Landauer. Lidia del Rio a Renato Renner ze Švýcarského technologického institutu v Curychu nyní prokázali, že Landauerův zákon se nicméně dá obejít, ba dokonce téměř obrátit, a to právě za použití antiintuitivních vlastností kvantového světa.

Entropie totiž (alespoň podle určitého chápání) není běžná fyzikální veličina typu teploty, mísí se v ní fyzika a teorie informace. Má i „subjektivní“ charakter – odpovídá totiž naší znalosti systému. Představte si tedy, že někdo chce vymazat paměť, tj. všechny bity v ní přepsat na hodnotu 0. Pokud znáte obsah paměti, stačí nulou přepsat pouze jedničky, v opačném případě je třeba přepisovat vše. Ve druhém případě je třeba udělat více práce a uvolní se více tepla. Jenže to není vše. Pokud znáte obsah paměti, pak původní stav můžete rekonstruovat znovu, takže proces vymazání je vratný. Tudíž, říkají termodynamické zákony, se při tomto procesu entropie nemůže změnit a neuvolňuje se ani žádné teplo, alespoň teoreticky.

Pokud je obsah paměti ještě kvantově propleten s dalšími objekty, pak při znalosti obsahu paměti máme „více než úplnou“ znalost. Kvantová entropie je pak záporná, což je něco, co v klasické fyzice nemá ekvivalent (zde je možná jen úplná znalost odpovídající nulové entropii). Vymazání paměti se pak má projevit naopak poklesem entropie a teplo se při procesu spotřebovává. Tolik alespoň podle vědců říká matematický model, prakticky se nic podobného realizovat zatím nepodařilo. Nicméně údajně by se budoucí počítače tímto způsobem opravdu chladit mohly. Byl by to hezký příklad praktického využití podivných vlastností kvantového světa.

Ještě je třeba dodat, že druhý zákon termodynamiky o neustálém růstu entropie tímto způsobem porušen není. Entropie roste při vytváření propletených objektů a získávání znalosti o systému. Není to ani žádné perpetuum mobile, paměť lze smazat jen jednou. Představme si to spíše tak, že si určitými operacemi připravíme možnost chlazení „do zásoby“.


Úvodní foto: © Okea - Fotolia.com

Vyšlo v CIO Business World 9/2011
Časopis lze koupit se slevou 20 %





Komentáře