Příští jaro to budou už tři roky od chvíle, kdy si Google a NASA pořídily rozměrnou mašinu od kanadské společnosti D-Wave a založily společnou laboratoř Quantum Artifical Intelligence Lab přímo v srdci Mountain View, kde sídlí výzkumné centrum NASA Ames Research.
Od té doby odborná komunita čeká, s čím laboratoř vyrukuje, D-Wave je totiž prvním komerčním výrobcem stroje, který se pokouší využít některých kvantových jevů k ohromnému zrychlení výpočtů oproti počítači běžné konstrukce.
Univerzální kvantový počítač zatím neexistuje
Ačkoliv se pro podobná zařízení vžil termín kvantový počítač, faktem zůstává, že kvantové jevy se v elektronice používají už dávno, a tak je tento termín vlastně docela zavádějící. Ostatně dnes se tak neříká ani oněm podivným strojům od D-Wave. Jsou to tzv. kvantové annealery podle způsobu, jakým pracují a co vlastně dělají (quantum annealing – kvantové žíhání). Jednoduše řečeno, rozhodně si pod něčím takovým nepředstavujte univerzální počítač, ale zařízení, které se pokouší využít akcelerace kvantových jevů pro velmi specifickou sadu úloh.
Klasický počítač provádí velmi rychle za sebou elementární logické operace s bity. Bit je nejmenší jednotkou informace a může tedy nabývat jen hodnot 0 a 1. Jenže když takových bitů zkombinujete ohromné množství, můžete pomocí řady po sobě jdoucích nul a jedniček zkonstruovat prakticky jakoukoliv informaci od jednoduchého čísla po film ve 4K. Je to pouze otázka kódování – binárního jazyka.
Pak už pouze stačí tyto nuly a jedničky velmi rychle vzájemně transformovat (provádět s nimi elementární výpočty na procesoru) a počítač začne plnit prakticky libovolnou výpočetní práci.
Výpočetní stroj od D-Wave. Samotný procesor je malý, většinu zařízení tedy tvoří chlazení na téměř absolutní nulu, při které by mělo docházet ke kvantovému tunelování, a stínění.
Ve světě teoretických kvantových počítačů se pracuje s kvantovými bity, které mohou díky kvantovým jevům nabývat obou stavů naráz, což při jejich vyšším počtu znamená, že takový počítač by v jednom okamžiku mohl vypočítat více (všechny) možnosti nějakého problému. Pokud k tomu připočítáme ještě některé další podivné vlastnosti kvantového světa v čele s kvantovým provázáním, máme před sebou teoretický stroj, který, pokud bychom jej skutečně dokázali postavit a ovládat jeho procesor, by hravě překonal všechny klasické počítače.
D-Wave to ale není a nikdy nebude, vzhledem ke své konstrukci se totiž pokouší využít kvantových jevů (kvantové tunelování) jen pro určitý typ úloh. Současný stav asi nejlépe vystihuje skutečnost, že nikdo včetně samotného výrobce vlastně neví, jaké úlohy by to měly být – na to musejí přijít samotní majitelé podivné mašiny, a právě proto odborná komunita roky čeká třeba na obsáhlejší studii od Googlu a NASA.
Oba hráči samozřejmě nejsou jedinými majiteli údajného kvantového stroje, ale mohou se pochlubit ohromným vědeckým kapitálem – do centra totiž zvou nejlepší kapacity v oboru. V minulosti už odborná komunita publikovala několik studií o D-Wave. Zatímco samotný výrobce se snaží prokázat, že ke kvantovému zrychlení skutečně dochází, ostatní jsou spíše skeptičtí a tvrdí, že D-Wave vlastně není o moc výkonnější než běžná mašina klasické konstrukce.
Zaznamenali jsme obrovské zrychlení, ale…
Google a NASA nyní konečně publikovaly předběžnou zprávu (blog, studie), co v poslední době zjistili na nejnovějším modelu D-Wave 2X. A zdá se, že to vůbec není špatné; tedy alespoň optikou toho, že je celý obor stále v naprostých plenkách.
Inženýři hledali kvantové zrychlení pomocí prostého srovnávání mašiny 2X s klasickými počítači, na kterých běžely simulátory obdobných procesů – takzvané simulované žíhání SA (Simulated Annealing) a další sada algoritmů známá jako QMC (Quantum Monte Carlo).
Pokud by v těchto testech dopadl D-Wave 2X opravdu výrazně rychleji než tradiční počítač, znamenalo by to, že se přinejmenším vyplatí do této cesty dále investovat.
Výzkumné laboratoře NASA Ames Research se nacházejí v sousedství centrály Googlu
Jak už jsem zmínil na začátku, efektivita kvantového počítače by měla růst se složitostí samotné úlohy, protože zatímco čas výpočtu klasického počítače bude s vyšší komplexností exponenciálně růst (to ví každý fanoušek špičkových her), pro ten kvantový to bude hračka. Vědci z Googlu a NASA vytvořili speciální úlohu, jejíž složitost postupně zvyšovali zapojováním dalších a dalších proměnných (bitů).
Na začátku nebyl rozdíl oproti simulaci na klasickém počítači příliš velký, nicméně když složitost úkolu překonala tisícovku proměnných, síla D-WAVE 2X se ukázala v plné síle – mašina spočítala řešení problému 100 000 000× rychleji než simulace na klasické mašině.
Doba řešení problému (osa Y) s rostoucí složitostí (osa X) na stroji D-Wave 2X a na počítači klasické konstrukce (simulační algoritmy SA a QMC)
Jenže na vítězný pokřik je podle Googlu a NASA ještě poměrně brzy, v žádném případě to totiž neznamená, že nyní stačí mašinu nakrmit daty pro libovolný výpočet, zmáčknout knoflík a výsledek se dozvíme namísto týdenního čekání za zlomek sekundy.
Experimentální úloha byla sama o sobě vlastně k ničemu – natolik specifická, že by nenašla žádné reálné uplatnění. Podobné testy tedy výzkumníci provádějí hlavně proto, aby jim napověděly, jakým způsobem zkonstruovat další generaci kvantových počítačů, aby dokázaly podobným způsobem zrychlit i nějaký skutečně praktický výpočetní problém třeba z oblasti meteorologických modelů, chemie, medicíny aj.
Experimenty s D-Wave 2X tak dodnes připomínají spíše hrátky s polovodičovými součástkami z poloviny 20. století. Jejich proměna ve funkční a plně programovatelný integrovaný obvod však byla mnohem jednodušším úkolem než proměna kvantového annealeru v počítač, který složité paralelní výpočty současnosti spočítá mnohem rychleji než všechny propojené superpočítače světa dohromady.
Ostatně mnozí vědci si stále myslí, že opravdový univerzální kvantový superpočítač nepostavíme nikdy.
