V rozhovore sa tiež dozviete:
- ako sa kvantový počítač líši od toho klasického
- čo majú spoločné kvantové javy a telepatia
- čo sú tzv. Penningove pasce a čím sú výnimočné
- ako môžu kvantové počítače zmeniť svet
Otázka na začiatok: Čo je vlastne kvantový počítač a v čom sa líši od toho tradičného?
Kvantový počítač môžeme zadefinovať v abstraktnom ponímaní ako prístroj, ktorý pracuje priamo s rovnicami, ktoré opisujú náš prírodný svet na mikroskopickej úrovni. Každá výpočtová jednotka, tzv. kvantový bit alebo qubit, sa dá opísať kvantovým stavom, kde dve čísla určujú pomer “superpozície” medzi základnými stavmi 0 a 1. Táto superpozícia má v sebe uloženú pravdepodobnosť, že po zmeraní uvidíme buď 0 alebo 1.
To však samo o sebe ešte nie je unikátne – v klasickom svete vieme tiež hodiť mincou a povedať, že kým nespadne, tak je opísaná nejakou pravdepodobnosťou, že dostaneme hlavu alebo znak.
V čom sa teda superpozícia v kvantovom počítači líši od bežnej neistoty, ktorú ste opísali na príklade hodu mincou?
To, čo robí kvantový svet výnimočný, je, že keď pripravíme dva qubity v špeciálnej superpozícii nazývanej „previazanie“, tak vieme opísať iba stav oboch naraz, a nikdy nie každý qubit zvlášť. To znamená, že ak vykonáme meranie jedného qubitu, okamžite ovplyvníme stav toho druhého, aj keď sú od seba fyzicky vzdialené.
To znie tak trochu ako telepatia. Možno to takto zjednodušene chápať? Ako je možné, že sa informácia o jednom kvantovom stave prenesie okamžite na druhý aj na diaľku? A čo to znamená pre naše bežné chápanie priestoru a času?
Je to ako keby sme hádzali dvoma mincami a mohli z výsledku prvej mince vydedukovať ten druhý. Znie to trochu ako telepatia, ale to by nás mohlo viesť k mylnej myšlienke, že informácie by sa dokázali okamžite šíriť časopriestorom, čo nie je pravda.
Einsteinova teória relativity ostáva nepoškvrnená, ale musíme opustiť jeho presvedčenie, že svet je lokálny – teda, že iba systémy, ktoré sú v priamom fyzickom kontakte sa navzájom dokážu ovplyvniť. Práve tieto javy – previazania a superpozície – sú kľúčové k tomu, že kvantové počítače otvárajú prístup k úplne novým výpočtovým algoritmom, ktoré skrátka neexistujú na klasických počítačoch.
Pri kvantových počítačoch sa namiesto elektrónov alebo čipov, ako to býva pri klasických počítačoch, používajú ióny (nabité častice). Prečo?
Klasický počítač je postavený na makroskopických veličinách, kde jeden bit je určený prítomnosťou alebo neprítomnosťou miliónov elektrónov, ktoré sa pohybujú cez polovodičový čip. Aj keď je elektrón sám kvantový objekt, pri takýchto veľkých množstvách sa kvantové javy, ako „previazanosť“ a „superpozícia“, vytrácajú v dôsledku pôsobenia okolitého prostredia – napríklad teplotných výkyvov a elektrického šumu.
Čítajte viac Kvantové počítače napredujú bleskovo. Čo hrozí krajinám, ktoré zmeškajú kvantový vlak?
A to je presne dôvod, prečo je zostrojenie kvantového počítača tak veľmi zložité – superpozícia a previazanosť sa udržiavajú čoraz ťažšie, čím viac qubitmi sa snažíme naraz manipulovať. Preto používame systémy, ktoré dokážeme extrémne izolovať od prostredia.
O aké systémy ide?
Veľmi sa nám osvedčili pasce na nabité častice. Tie fungujú tak, že kombináciou elektromagnetických polí dokážu jednotlivé nabité atómy (ióny) udržať vo vákuovej komore a schladiť ich kmitanie na takmer absolútnu nulu. Tým, že sú častice nabité, sa navzájom odpudzujú, takže ich dokážeme rozlíšiť v priestore a ich kvantové stavy presne manipulovať laserami. Kvantové výpočty sú teda sekvencie mnohých laserových pulzov, vysielaných na zoskupenia iónov.
Môžete opísať, ako sa pasce na ióny „udržiavajú“ v kvantových počítačoch? Prečo to je dôležité? A ako to funguje v praxi?
Sú dva princípy, na ktorých pracujú pasce na ióny. Už v 19. storočí sa zistilo, že neexistuje žiadna možná kombinácia statických elektrických polí, ktorá by dokázala udržať ión vo všetkých troch priestorových dimenziách, čiže v troch bežných priestorových smeroch – hore/dolu, doľava/doprava, dopredu/dozadu. Ión by vždy „ušiel“ aspoň v jednom smere, takže takto by sa ióny chytiť nedali. Ale ak dovolíme, aby elektrické polia kmitali istou frekvenciou, tak to možné je.
Ako si to môže predstaviť laik? Môžete uviesť nejaký príklad?
Predstavte si to tak, ako keby ste zobrali guľôčku a položili ju na šachovnicu. Ak do nej brnknete, skotúľa sa z nej. Ale ak pritom šachovnicu nakloníte proti jej pohybu, guľôčku najprv spomalíte a potom sa začne kotúľať opačným smerom. Ak v tom momente opäť nakloníte šachovnicu na opačnú stranu, môžete pohyb znova korigovať. A keď dosiahnete správny rytmus, guľôčka sa bude viac-menej držať v strede šachovnice.
Čítajte viac Na prácu potrebujú väčší chlad ako vo vesmíre, na prelomenie šifry okamih. Kvantové počítače prídu o pár rokov
Toto je v podstate presne to, čo robíme s iónmi, a ten rytmus je určovaný elektródami, ktoré kmitajú na rádiových frekvenciách – preto ich nazývame rádiofrekvenčné pasce alebo Paulove pasce podľa mena ich vynálezcu.
Ako tento princíp vyzerá v praxi – teda ako sú tieto pasce vyrobené a ako fungujú?
V praxi to vyzerá tak, že tieto polia vytvoríme aplikovaním elektrického napätia na elektródy, ktoré sa nachádzajú na povrchu dvojdimenzionálneho (2D) čipu. Zoberieme nejaký nosič, trebárs sklo, a vyrežeme požadovaný tvar elektród. Keďže sklo nie je vodič, povrch pokryjeme tenkou vrstvou nejakého kovu, napríklad zlata. Každá elektróda potom môže držať nejaké statické napätie a špecifické elektródy zas nesú spomínané rádiofrekvenčné napätie. Ióny sa potom vznášajú zhruba vo výške hrúbky ľudského vlasu nad povrchom tohto čipu.
Foto: www.nature.com
Naznačili ste, že existujú aj iné „pasce“ na chytanie nabitých častí. O čo ide?
Áno, existuje ešte iný spôsob, ktorý nepotrebuje spomenuté rádiofrekvenčné polia. V tomto prípade môžeme skombinovať statické elektrické a statické magnetické pole v pasci, ktorá sa nazýva Penningova pasca. Výhodou je, že nepotrebujeme špecifické rádiofrekvenčné elektródy, ktoré sa prehrievajú a kvôli svojmu geometrickému tvaru uzamykajú ióny do jednodimenzionálneho zoskupenia – čo je veľký problém pri rozširovaní počtu iónov, a teda qubitov, v kvantovom počítači. Penningove pasce nám umožňujú priamo vytvárať dvojdimenzionálne mriežky iónov nad našimi čipmi, a tým zostaviť výkonnejší kvantový počítač s omnoho väčším počtom qubitov.
Keď sme pri výkonnosti kvantových počítačov, o akých rozdieloch hovoríme, ak ich porovnávame s tými dnešnými či so superpočítačmi? Respektíve je vôbec takéto porovnanie možné?
Toto porovnanie sa nedá vykonať v tradičných hodnotách, ako je povedzme frekvencia procesora, počet jadier alebo FLOPs (floating-point operations – pozn. red.), teda operácie s pohyblivou desatinnou čiarkou. Najjednoduchšie a najférovejšie porovnanie je zadať rovnakú úlohu kvantovému a klasickému počítaču a porovnať čas potrebný na dosiahnutie výsledku (v niektorých prípadoch aj presnosť výsledku).
Kvantové počítače sa navzájom porovnávajú napríklad v počte qubitov, chybovosti výpočtového kroku alebo v dĺžke času, kým sa kvantové informácie vytratia v dôsledku pôsobenia šumu.
V akých oblastiach by kvantové počítače mohli výrazne predbehnúť klasické počítače?
Kvantové počítače budú „kraľovať“ v disciplínach, kde vieme identifikovať kvantový algoritmus, ktorý dokáže buď oveľa efektívnejšie, alebo oveľa presnejšie vykonať výpočet ako klasický počítač.
Existuje nejaký konkrétny príklad výpočtu, ktorý kvantový počítač zvládne omnoho rýchlejšie?
Tradičným príkladom je tzv. Shorov algoritmus (pomenovaný podľa amerického matematika Petra Shora, ktorý ho v roku 1994 vyvinul – pozn. red.), ktorý dokáže rozkladať veľké čísla na súčin prvočísel násobne rýchlejšie.
To je veľmi dôležité pre kyberbezpečnosť, pretože šifrovanie dát, ktoré dnes posielame cez internet, je založené na asymetrickej zložitosti – vynásobiť dve obrovské prvočísla je jednoduché aj na vašom mobile, ale nájsť ich rozklad je nesmierne pomalé aj na najväčšom superpočítači na svete.
Čítajte viac Nobelova cena za chémiu putuje trojici vedcov za výskum kvantových bodiek. Ich mená unikli vopred
V druhom prípade ide o výpočty, ktoré vieme presne opísať – napríklad kvantové rovnice, ktoré opisujú chemickú štruktúru molekúl –, no nevieme ich presne vyriešiť klasickým počítačom, ktorý si pri nich musí pomáhať rôznymi priblíženiami. Kvantový počítač by ich nepotreboval a vedel by vypočítať tieto rovnice s neporovnateľnou presnosťou.
Spomenuli ste kyberbezpečnosť. S množstvom pribúdajúcich hackerských útokov je na mieste otázka, ako môžu byť kvantové počítače nápomocné v boji proti nim?
Toto nie je priamo úloha kvantových počítačov, ale kvantového šifrovania. Kvantové informácie vieme prenášať cez optické siete takým spôsobom, že dokážeme okamžite identifikovať, či sa nejaký hacker snaží nabúrať do našej komunikácie.
Princíp si môžeme opäť predstaviť na základe toho, že každý zásah do kvantového systému okamžite ovplyvní kvantový stav. Zároveň platí ešte jeden zákon – že kvantové informácie sa nedajú kopírovať. To znamená, že ak sa hacker pokúsi pozrieť na kvantové informácie, ktoré sú na ceste z bodu A do bodu B, vieme to s istotou odhaliť. Tieto systémy už fungujú v menšej miere aj na komerčnej úrovni a siete na kvantovú komunikáciu vznikajú po celom svete.
V ktorých oblastiach (medicína, financie, doprava a pod.) očakávate prvé reálne využitie vašej technológie? A ak sa už niekde aplikujú, aké výsledky zatiaľ prinášajú?
Svet kvantových algoritmov sa neustále rozrastá a čoraz viac teoretikov a programátorov prichádza s novými aplikáciami v rôznych doménach. Nemusíte sa báť, že kvantový počítač prelomí šifrovanie vašej banky, lebo tento algoritmus vyžaduje výkonnejší hardvér, ako je dnes k dispozícii. Sú však aj iné aplikácie, kde požiadavky na hardvér nie sú také intenzívne a zároveň stále klesajú, pričom hardvér sa neustále zlepšuje.
Čítajte viac Éra kvantových počítačov je tu. Svoj kvantový čip už predstavil aj Amazon
Osobne presne neviem, v ktorej doméne narazíme na prvú aplikáciu, ktorá bude radikálne efektívnejšia ako tá klasická, ale prikláňam sa k názoru, že to bude vo výpočte molekulárnych vlastností, ktoré môžeme uplatniť aj pri dizajne nových liečiv pre farmaceutický priemysel alebo nových katalyzátorov pre chemický priemysel.
Môžete uviesť konkrétny príklad takejto aplikácie, ktorá by mohla mať obrovský dopad na vývoj v niektorej oblasti?
Ak by sme dokázali zlepšiť efektivitu priemyselnej výroby amoniaku použitím nového katalyzátora, ktorý potrebujeme pre svetové poľnohospodárstvo, ušetrili by sme nesmierne množstvo energie a znížili emisie CO₂.
Kedy môžeme očakávať, že niekto začne kupovať a používať vaše zariadenie v praxi?
Na to si ešte budeme musieť počkať niekoľko rokov. Typicky prvý zákazník je väčšinou štátna organizácia, výskumne stredisko alebo superpočítačové centrum. Tých na svete nie je tak veľa a kým sa trh naozaj rozrastie, budú predajné kvantity nízke.
Alternatívou, ako si vybudovať vzťah k budúcim zákazníkom, je hosťovať kvantový počítač v cloude a prenajímať výpočtový čas. Už dnes existujú systémy, ktoré užívateľ môže vyskúšať napríklad cez Amazon Web Services.
Kde vidíte váš výskum trebárs o päť rokov a ako výskum a vývoj kvantových počítačov zmení svet? Akú úlohu v tom zohrá umelá inteligencia?
To je zložitá otázka. Určite budeme napredovať s našou technológiou a do piatich rokov sa etablovať ako jedna z vedúcich firiem, ktorá nielen vedie vo vývoji hardvéru, ale tiež spolupracuje so širokým spektrom priemyslu a výskumu na aplikáciách, ktoré prinesú kvantovú revolúciu. Umelá inteligencia nám už dnes pomáha v našej dennej práci.
Ako?
Zmyslom kvantových počítačov nie je nahradiť klasické počítače, iba im pomôcť v istých výpočtoch, na ktoré sa nehodia. Takže je to o spolupráci. Tak ako dnes máme vo výpočtovej technike centrálne a grafické procesorové jednotky, tak v budúcnosti budú veľké počítače vybavené aj kvantovými procesorovými jednotkami a procesormi umelej inteligencie, ktoré budú spoločne riešiť rozmanité výpočtové úlohy.
Aký je hlavný cieľ firmy ZuriQ, ktorú ste spoluzakladali, a ako vám pomohla nedávna investícia vo výške štyri milióny eur?
Naša firma ZuriQ má za cieľ vytvoriť kvantový počítač na báze Penning iónových pascí, ktorý dokáže neustále zlepšovať výkon pomocou vysoko kvalitných qubitov na čoraz väčších dvojdimenzionálnych mriežkach. V laboratóriu na ETH (Eidgenössische Technische Hochschule – Federálny technologický inštitút – pozn .red.) v Zürichu sme ukázali, že táto nová architektúra Penning pascí je veľmi sľubná, a teraz pracujeme na zostrojení prvého funkčného prototypu s desiatkami qubitov.
Časť prostriedkov využijeme na výdavky spojené s takýmto typom počítača, ktorý potrebuje lasery, silné magnety, pascové čipy, vákuovú komoru, precíznu elektroniku a optiku. Ďalšiu časť použijeme na zostavenie špecializovaného tímu fyzikov, programátorov a inžinierov, ktorí sú svetoví experti vo svojom odbore. Spolu ukážeme, ako sa za relatívne nízke náklady oproti sumám, ktoré investovala konkurencia, dá zostrojiť revolučný prototyp.
Ako vnímate konkurenčné prostredie v oblasti kvantových technológií a čo považujete za vašu najväčšiu konkurenčnú výhodu?
Konkurencia je obrovská. Či už hovoríme o gigantoch ako IBM, Google, Amazon či Microsoft, alebo o veľkých firmách v USA, ktoré tiež pracujú s pascami na ióny, ako IonQ alebo Quantinuum. Svätým grálom je dokázať, že počet qubitov v zariadeniach týchto firiem sa dokáže rýchlo rozrásť na tisíce až stotisíce. Zatiaľ to ešte nikto úspešne nedokázal a nápadov, ako sa tam dostať, je mnoho — každý má svoje technologické výzvy.
Čítajte viac Microsoft vraj stojí na prahu revolúcie. Predstavil prelomový kvantový čip
Naším cieľom je zamerať sa na výzvu, ktorá je špecifická pre mainstreamovú technológiu rádiofrekvenčných pascí, ktoré používajú spomínané IonQ a Quantinuum. Pri ich dizajnoch je veľmi ťažké pridávať qubity, pretože ich systémy sú veľmi jednodimenzionálne. Na druhej strane sú však ich systémy mimoriadne výkonné v porovnaní s IBM či Google, aj keď majú len desiatky qubitov. Je to preto, že majú vysokú „kvalitu“. Náš systém sa spolieha práve na túto vysokú kvalitu qubitov, spojenú s dvojdimenzionálnou štruktúrou pasce, ktorá umožňuje zvyšovať ich počet v ďalších generáciách systémov rýchlejšie ako konkurencia.
Prečo bolo pre vás dôležité, že ste vychádzali z prostredia laboratória ETH Zürich? Ako vám to pomohlo v ďalšom výskume?
Inštitút patrí medzi svetovo najprestížnejšie univerzity a poskytol nám vynikajúce zázemie na realizáciu odvážneho základného výskumu. Práve na takýto typ výskumu sa veľké technologické firmy často neodvážia, pretože sa s tým spája značné riziko a dlhodobé financovanie — typicky z verejných fondov.
Náš projekt bol podporený Európskou úniou, čo nám umožnilo pracovať s veľkou mierou slobody a pokúsiť sa o niečo, čo zatiaľ nik iný vo svete neskúsil. A podarilo sa nám to.
Rozhodujúci podiel na tom mala špičková laboratórna infraštruktúra, jasná vízia nášho profesora Jonathana Homea a výnimočný talent mojich spoluzakladateľov, ktorí celý projekt navrhli a realizovali už počas svojho doktorandského štúdia. Ťažko si viem predstaviť lepší tím. Veľkým prínosom bolo aj to, že technológiu sme mohli patentovať v rámci univerzity a zároveň sme získali podporu pri zakladaní startupu, ktorý s týmto patentom pracuje ďalej. Inštitút v Zürichu nám umožnil prenajať laboratórne priestory, kde budujeme náš prvý funkčný prototyp. S kolegami navyše naďalej výborne spolupracujeme.
Pavel Hrmo (35)
Foto: Daniel Kunz - www.danielkunzphoto.com (Adliswil, Switzerland)
Študoval fyziku na University of Edinburgh v Škótsku, doktorandské štúdium absolvoval na Imperial College London v oblasti Penningových pascí na ióny pre kvantové počítače. Tri roky pôsobil na jednej z popredných svetových skupín venujúcich sa rádio-frekvenčným pasciam pre kvantové počítače na univerzite v Innsbrucku.
V roku 2021 začal pracovať v technologickom inštitúte vo švajčiarskom Zürichu, kde sa opäť vrátil k výskumu Penningových pascí a vývoji ich nových architektúr. V prestížnom vedeckom časopise Nature spolu s kolektívom autorov publikoval vlani štúdiu, ktorá sa tejto problematike venuje. V roku 2024 založil firmu ZuriQ, ktorej cieľom je zostrojiť prvý komerčný kvantový počítač.