Google se pochlubil svým novým kvantovým čipem Willow se 105 qubity a jeho vědci dostali pravděpodobně ten nejtěžší úkol kariéry: objasnit široké veřejnosti, k čemu je to dobré a v čem spočívá jeho hlavní přínos.
Julian Kelly z laboratoře Google Quantum AI se vám pokusí v šesti minutách vysvětlit, co je to Willow:
Zatímco naše běžné digitální počítače kódují a zpracovávají informaci jako sled nul a jedniček, ty kvantové k tomu budou používat qubity, u kterých je to mnohem komplikovanější. Qubit totiž nemusí mít jen jednu diskrétní hodnotu nula, nebo jedna, ale stejně tak může být třeba z 45 % nulou a z 55 % jedničkou. Qubity se ke všemu mohou navzájem ovlivňovat a propojovat.
Praktický přínos spočívá hlavně v tom, že kdybychom dali tomuto qubitovému peklíčku řád, kvantový počítač by mohl být v některých operacích astronomicky rychlý. V kontextu dneška se nabízí třeba využití v oblasti umělé inteligence.
Stabilní qubit je jako akrobat na laně
Má to ale jeden háček. Zatímco jeden bit dokáže vyrobit i dítě – třeba tak, že k 3V baterii připojí LED a začne s ní blikat, uvést nějaký fyzikální fenomén do stavu, ve kterém se začne chovat jako náš výše popsaný qubit, je mnohem komplikovanější.
Willow k tomu používá obvod ze supravodiče, tedy média, které po zchlazení téměř na absolutní nulu přijde o elektrický odpor. Elektrický obvod s téměř nulovým odporem trpí minimálním šumem a čerstvě vyrobený qubit proto vydrží o něco déle, než se pod náporem okolního fyzikálního světa zase rozpadne.
Procházka laboratoří Google Quantum AI:
Představte si supravodičový qubit jako akrobata s kalkulačkou v ruce a balancujícího na laně a elektrický odpor jako vichřici, která s lanem lomcuje sem tam.
Zatímco v běžných podmínkách s vysokým odporem by měl akrobat na jeden výpočet možná tak sekundu, v bezvětří dokáže balancovat a počítat na kalkulačce třeba i několik minut.
Google udrží qubit ve stabilním stavu až 100 μs
Ve světě skutečných qubitů ale pracujeme s úplně jinými hodnotami! Zatímco první kvantové čipy a počítače Googlu (Milestone 1, Milestone 2) dokázaly udržet qubity ve stabilním stavu 20 mikrosekund, Willow je přelomový v tom, že čas protáhnul až na hodnoty okolo 100 mikrosekund!
Willow udrží qubit ve stabilním/koherentním stavu až 100 μs. Předchůdci na tom byli 5× hůře
Kvantový obvod má proto 5× více času, aby něco provedl s informací, kterou qubit nese, než se zase rozpadne (akrobat se neudržel a spadl z lana).
Qubity chybují, ale Google je umí opravovat
Willow tedy dokáže udržet qubit ve stabilním stavu poměrně dlouho a podle Googlu je zároveň druhou a související přelomovou vlastností to, že se s rostoucím počtem fyzických qubitů v čipu nespotřebují naprosto všechny na korekci a výrobu toho logického.
Logické bity z našich počítačů – tedy softwarové nuly a jedničky, ze kterých je složený i tento článek – musejí být naprosto bezchybné, záměnou jednoho jediného bitu by se totiž třeba ve znakové sadě ASCII/Unicode stalo z písmene „A“ (0100 0001) písmeno „C“ (0100 0011). Na fyzikální – elektrické – úrovni se ale chyby samozřejmě dějí, obvody procesoru s tím musejí počítat a provádět korekce.
S hypotetickým kvantovým počítačem to bude ještě mnohem složitější, jak jsme si totiž vysvětlili výše na příkladu s akrobatem na laně, fyzikální qubit je mnohem citlivější na jakékoliv rušení a je extrémně nestálý.
Kvantový počítač proto bude potřebovat mnohem rozsáhlejší korekční obvody než klasický procesor z mobilního telefonu a laptopu. Jedna z pochyb skeptiků spočívá právě v tom, že univerzální kvantový počítač s miliony a jednou třeba i miliardami qubitů by nakonec spotřeboval většinu své práce na neustále opravy, a tak by ani nepřinesl to, co od něj očekáváme.
Mimochodem, právě proto je důležitá i doba trvání qubitu v kýženém stavu, můžeme ji totiž využít nejen na samotné zpracování informace, ale také na opravy.
Surface code
Jedním z nejtypičtějších korekčních mechanizmů je tzv. surface/toric code, což je jakási propojená matice datových a měřících/korekčních qubitů, která vzájemným ovlivňováním odstraní chybové stavy.
Žluté datové qubity a červené, azurové a modré měřící/korekční qubity v různě velkých mřížkách s různou schopností zachycení chyb
Čím větší bude matice, tím více chyb vyčistí, ale tím více se také spotřebuje fyzických qubitů, takže se po určitém čase dostaneme do bodu, kdy to celé přestane dávat smysl. Všichni výrobci kvantových čipů se proto pokoušejí míru chybovosti udržet do určité hladiny a tomuto principiálnímu problému se říká below threshold.
Willow je na tom podle Googlu velmi dobře a díky návrhu, na kterém se podílela také AI (jak jinak, viďte?), se poměr chybovosti vůči počtu qubitů postupně stabilizuje. Čím více qubitů, tím budou korekce ekonomičtější, a nikoliv vražedné pro celý výpočetní systém.
Chybovost u předchozího čipu Sycamore a u mřížky 7×7 na čipu Willow
Skutečný kvantový počítač je ještě v nedohlednu
Představení čipu Willow ale nakonec ilustruje především aktuální stav poznání. Jak vidno, vědci i v roce 2024 řeší naprosto bazální a principiální otázky qubitů a kvantových obvodů, kterým rozumí jen úzká výseč expertů, a od skutečného univerzálního kvantového počítače nás dělí ještě ohromný kus času.
Podle optimistů desítky let, podle skeptiků ještě déle a podle pesimistů je to celé od začátku jedna velká blamáž a science fiction.
Cestovní plán Googlu
A jak vypadá realistický pohled samotného Googlu – respektive jeho laboratoře Quantum AI? Napoví cestovní mapa, na jejímž konci bude stroj s milionem fyzických qubitů – Milestone 6.
Těžko říci kolik bude mít těch logických, které skutečně drží nějakou praktickou informaci, a jestli Milestone 6 spočítá i něco, co pochopí i běžný smrtelník, ale snad se odpovědi dožjí alespoň dnešní puberťáci.
Willow spočítá v benchmarku RCS za pěti minut to, co nejvýkonnější superpočítač současnosti za 10²⁵ let. Nutno ale podotknout, že to zatím není žádná komerčně aplikovatelná úloha
Do té doby se musíme spokojit s benchmarky. Willow tak sice v úloze RCS spočítá za pouhých pět minut to, co by nejrychlejšímu superpočítači světa Frontier trvalo 1025 let, je však třeba podotknout, že to je výpočetní úloha, která sama o sobě nemá alespoň prozatím až tak praktický smysl. Reálně a komerční kvantové aplikace totiž zatím stále hledá i sám Google.