Kvantové počítače utopií?

M. I. Dyakonov vydal studii, která velmi vážně zpochybňuje možnost prakticky konstruovat kvantové počítače. Klasické počítače zřejmě jednou dosáhnou svých limitů a při řešení nejsložitějších problémů by je mohly nahradit právě kvantové počítače. Pracuje na jejich vývoji spousta vědců zbytečně?
Kvantové výpočty se spoléhají na zpracovávání informací uvnitř kvantových systémů s velkou mírou volnosti. Praktická implementace této myšlenky však potřebuje kompletní kontrolu nad všemi 2^n nezávislými amplitudami vlnové funkce mnoha částic, přičemž n > 1000. Budu probírat principy kvantových výpočtů z praktického úhlu pohledu a učiním závěr, že nebude v dohledné budoucnosti sestrojeno žádné funkční zařízení.

Tak začíná dokument s názvem „Kvantové počítače: Pohled z nepřátelského tábora.“ Dyakonov se v úvodu téměř rozčiluje, kolik vědců pracuje na sestrojení kvantového počítače, i když podle něho je to práce zbytečná a málo užitečná.

Málo užitečná proto, že na světě existuje velmi málo problémů, které by nebyly řešitelné digitálními počítači. Počet takových problémů odhaduje autor na pouhých 2 až 10, a to v závislosti na tom, zda budeme počítat podobné problémy zvlášť. Jedná se např. o faktorizaci (rozklad) velkých čísel. Poznamenejme, že na nerealizovatelnosti takových výpočtů stojí téměř celá moderní kryptografie.

„Kvantový počítač provádí, v určitém smyslu, všechny tyto výpočty rychleji, v čase, který je polynomický, ne exponenciální vzhledem k n. (Pouze poznamenám, že obtížnost sestavení kvantového počítače se zvyšuje exponenciálně k n. Je to jakási pomsta přírody.)“ Autor nijak nepochybuje o teoretických základech kvantových počítačů, nicméně jak je vidět z předchozí věty, velmi pochybuje o možnosti je prakticky sestrojit. Nastiňuje několik základních fyzikálních problémů v konfrontaci teorie s praxí.

Když to shrnu, nevěřím, že bude možné zkonstruovat ani kvantový počítač hračku (ale funkční) se třemi qubity.“

Možná jste zaslechli o pěti qubitech od IBM, nicméně nejednalo se o opravdu plně funkční počítač. Pro srovnání – kapacita počítače, který by překonal současné digitální stroje, se odhaduje mezi 1000 a 100 000 qubity.

Právě schopnost prakticky se vyrovnat s 2^1000 stavy globální vlnové funkce se autorovi jeví jako naprosto nereálná. Obrovskou roli totiž hrají chyby v měření, v nastavování výchozích hodnot spinů a v transformacích, které jsou s nimi prováděny. Laicky řečeno, představa, že budeme podle vlastních potřeb koordinovaně a bezchybně jen tak „popošoupávat“ tisícem elektronů, je značně přitažená za vlasy. Jestliže je nejlepší současný kvantový počítač někde u pochybných pěti qubitů a složitost konstrukce takového stroje je exponenciální k počtu qubitů, kdy jich bude alespoň oněch 1000?

Autor mluví i o jiných metodách, kde jeden qubit nepředstavuje jeden spin, ale spíše cluster mnoha spinů polarizovaných spíše do jednoho ze dvou stavů. Takové systémy by samozřejmě teoreticky mohly částečně řešit chybovost jednotlivých spinů a nepřesnost nastavení, na druhé straně taková soustava již ztrácí své kvantové vlastnosti. (Důvod tkví v tom, že jsme schopni pravděpodobně určit spin konkrétního atomu pozorováním atomů ostatních, a tedy téměř mizí kvantová neurčitost.) Takové zařízení by se chovalo pouze jako analogový počítač.

Existuje ještě něco mezi kvantovým a digitálním počítačem. Je to klasický analogový stroj, jako systém 10^5 oscilátorů nebo klasických spinů. Proč nezkusit nejprve zkonstruovat takovýto počítač a potom – až uvidíme, že to funguje – se pokusíme vyřešit řádově složitější úlohu stavby počítače s 10^5 kvantovými spiny? Osobně nevěřím ani tomu, že bude kdy sestrojen alespoň analogový počítač dostatečné komplexnosti.“

Autor velmi zpochybňuje naši schopnost dostatečně přesně (s přesností alespoň 10^-5) změřit jeden spin. To se nedá dělat přímo, ale pouze různými složitými oklikami. Jak s těmito problémy chceme změřit najednou alespoň 10^3 qubitů?

Líbí se mi však věta jednoho čtenáře na Slashdotu: „Když nějaký starší významný fyzik prohlásí, že je něco možné, téměř jistě má pravdu. Když něco odmítne jako nemožné, téměř jistě se mýlí.“ Einstein, který až do smrti nevěřil, že Bůh hraje v kostky, je jedním z důkazů.

Ve světle těchto pochybností se objevují i jiné metody, než jsou právě kvantové počítače spoléhající na kvantové jevy. Proč ale tyto kvantové jevy nenahradit prostými světelnými vlnami?

Takový model je popisován v Scientific American (srpen 2001, str. 12). Zařízení je založeno na interferenci (skládání) vln. Víme, že dvě protichůdné stejně velké vlny se vyruší, naopak ty souběžné se sečtou. Zbývá dodat, že při odrazu od zrcadla se každá vlna posouvá o čtvrtinu své délky. Pokud tedy necháme polovinu světla projít přes polopropustné zrcadlo a druhou polovinu rozložíme čočkou na spektrum, které pustíme na jakousi mřížku (což může být např. reprezentace binárních záznamů v databázi), tak poté, co jej jinou čočkou soustředíme opět do jednoho paprsku, dvakrát odrazíme (abychom získali posun o jednu polovinu délky) a opět sjednotíme se zbytkem paprsků, všechny vlnové délky se vyruší. Zůstane pouze ta, která neprošla mřížkou. Ve spektrometru na konci soustavy tedy jasně uvidíme výsledek. Podstatné na tom je, že „mřížka“ (v popsaném pokusu se jedná o akusticko-optický modulátor) je zasažena celá najednou bez ohledu na to, jak je velká. Nemusíme ji tedy procházet záznam po záznamu, ale stačí nám jeden takt stroje.

Rochesterský experiment prohledával setříděnou databázi o padesáti položkách. Běžný počítač, který by prováděl binární prohledávání takové databáze, by se jí musel dotazovat šestkrát (což postačuje k prohledání 64 elementů: 2^6=64). V roce 1997 dokázal Lov K. Grover z Bellových laboratoří, že kvantový počítač potřebuje jen jeden dotaz, přičemž nezáleží na velikosti databáze.“

Stejný experiment, pouze s využitím vlnové povahy světla, provedený Ianem A. Walmsleyem a jeho spolupracovníky na univerzitě v Rochestru, jsem popsal o něco výše. Tato skupina koncem minulého roku dokázala, že jakýkoliv počítač využívající „pouze“ kvantové interference, má svůj ekvivalent pracující s využitím pouze optické interference.

„Bohužel takovýto optický počítač není schopen vyřešit problémy jako faktorizace velkých čísel, protože ty vyžadují ještě další transformace mezi qubity, což takovýto jednoduchý optický design nedovoluje,“ věřilo se. Nyní se ale zdá, že karty se začínají obracet.

V roce 1997 bylo totiž také teoreticky dokázáno, že jakýkoliv kvantový počítač se dá nahradit posíláním jednotlivých fotonů přes soustavy zrcadel, hranolů, fázových posuvníků a dalších jednoduchých optických elementů. Původní design trpěl stejnou nemocí, jakou popisuje pan Dyakonov u kvantových počítačů, tedy exponenciálně se zvyšující složitostí konstrukce vhledem k počtu qubitů. Letos v lednu ale jiná skupinka vědců na australské univerzitě v Queenslandu představila design, u něhož se počet použitých optických prvků zvyšuje lineárně k počtu qubitů. To zní velmi slibně.

Nesdílím názor, že kvantové či pseudokvantové (optické, analogové) počítače by byly k ničemu. Pokud to bude navždy jen obří monstrum někde v laboratoři, pak zřejmě nebude mít tolik možností využití. Kdyby se ale jednalo o rozumně velké běžně dostupné stroje (a pokud se tým z Queenslandu nemýlí, vypadá to nadějně), naskytovaly by se zde obrovské možnosti. Paralelní výpočty s lineární složitostí, prohledávání databáze na jeden průchod – dokáži si představit spousty praktických využití, a to i v komerční sféře.

Diskuze (32) Další článek: AMD uvádí Athlon XP 1900+

Témata článku: Kvantové počítače, Světelný rok, Určitý důkaz, Světelná vlna, Vlna, Grover, Amplituda, Scientific American, Velký počet, Jednotlivý foton, Zrcadlo, Fyzikální problém, Jednoduchá konstrukce, Einstein, Funkční stav, Funkční zařízení, Velký problém, Stejný stav, Kvantový systém, Stejná úloha, Elektron, 1000, Spin, Stejný design, Optické spektrum


Určitě si přečtěte

Pojďme programovat elektroniku: České chytré zásuvky Netio pro kutily i firmy

Pojďme programovat elektroniku: České chytré zásuvky Netio pro kutily i firmy

** Wi-Fi zásuvky nevyrábí pouze Čína ** Vyzkoušeli jsme českou Netio PowerCable ** Je přímo určená pro vývojáře, má totiž jednoduché JSON API

Jakub Čížek | 43

Zorin OS 15: Vyzkoušejte další hezký a nenáročný linux pro mamku a taťku

Zorin OS 15: Vyzkoušejte další hezký a nenáročný linux pro mamku a taťku

** Ačkoliv je grafických linuxů plný internet, stále vládnou Windows ** Jeden z nich se jmenuje Zorin OS a nedávno se dočkal aktualizace ** Dělají jej dva kluci z Irska a je fakt hezký

Jakub Čížek | 116

Google Coral: Raspberry Pi s čipem, který zpracuje 4 biliony operací za sekundu

Google Coral: Raspberry Pi s čipem, který zpracuje 4 biliony operací za sekundu

** Je to velké jako Raspberry Pi ** Ale je to až o několik řádů rychlejší ** Dorazil nám exotický Google Coral s akcelerátorem Edge TPU

Jakub Čížek | 18

Nejlepší notebooky do 20 000 Kč. Tipy, co se dnes vyplatí koupit

Nejlepší notebooky do 20 000 Kč. Tipy, co se dnes vyplatí koupit

** S cenou do 20 tisíc lze vybrat solidní notebook na práci i hry ** Přenosné notebooky nabídnou i kovová těla a rychlý hardware ** Na hraní se hodí více peněz, ale na použitelný základ dvacet tisíc stačí

Tomáš Holčík, David Polesný | 43


Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest: 20 powerbank s USB-C

Test: mobily do 3 500 Kč

Radíme s výběrem routeru

Tipy na nejlepší vánoční dárky