Nad řešením úlohy o propojených kvantových částicích by strávil ten nejrychlejší počítač světa několik roků plného výkonu. Americký kvantový počítač to dokázal zvládnout nesrovnatelně rychleji. Podle vědců to otevírá cestu takzvané kvantové nadřazenosti.
O kvantových počítačích kolují celé legendy, které naznačují, jak zásadní změny by mohly přinést, čeho všeho by mohly být schopné. Současně se ale, s tím, jak skromné jsou zatím jejich reálné výsledky, objevují i opačná, velmi skeptická tvrzení expertů, kteří se obávají, že je tento obor značně přeceňovaný a že ve skutečnosti žádnou revoluci přinést nemusí.
Nový výzkum expertů ze společnosti Google Quantum AI teď ale přišel s příkladem, který takzvanou kvantovou nadřazenost – tedy schopnost kvantových počítačů řešit reálné problémy nesrovnatelně rychleji než normální počítače – přináší do praxe. Přinejmenším v jednom oboru.
Kvantový procesor Willow totiž dokázal spustit algoritmus pro kvantový počítač, který vyřešil složitý fyzikální problém tisíckrát rychleji než ty nejvýkonnější klasické superpočítače na světě. Ještě je třeba tyto výsledky potvrdit opakovanými pokusy, ale pokud se tato informace potvrdí, bude to jedna z prvních ukázek praktické kvantové výhody, kdy kvantový počítač vyřeší reálný problém rychleji a přesněji než klasický počítač.
Kvantový počítač funguje jinak než běžný počítač, který používá bity – ty mohou mít hodnotu 0 nebo 1. Kvantový počítač místo toho používá qubity (kvantové bity). Ty se mohou nacházet ve stavu 0, 1 nebo v obou najednou díky jevu známému jako superpozice. To znamená, že kvantový počítač může provádět mnoho výpočtů najednou, zatímco klasický počítač je dělá postupně.
Dalším důležitým jevem je propletení (entanglement) – když jsou dva qubity propletené, změna stavu jednoho okamžitě ovlivní druhý, i když jsou daleko od sebe. Díky tomu mohou kvantové počítače řešit některé typy úloh (například šifrování, optimalizace nebo simulace molekul) mnohem rychleji než běžné počítače. Jsou ale velmi citlivé na rušení a chyby, takže je zatím těžké je postavit a ještě složitější je udržet je stabilní.
Informace je ale věrohodná, článek, který experiment popisuje, vyšel v odborném časopise Nature. Algoritmus nazvaný Quantum Echoes měřil složité chování částic ve vysoce propletených kvantových systémech. Jedná se o systémy, ve kterých je více částic propojeno tak, že sdílejí stejný osud, i když jsou od sebe fyzicky odděleny.
Jde o jeden z nejslavnějších případů fascinujícího světa kvantové fyziky: teoreticky od sebe mohou být takové částice neomezeně daleko, ale přesto se chovají stále stejně, jako by byly propojené. Propojení více takových částic ale vede ke vzniku tak extrémně složitého systému, že se prakticky nedá modelovat ani na těch nejvýkonnějších superpočítačích.
Nutno dodat: na klasických superpočítačích. Na kvantovém počítači, který funguje a „počítá“ úplně jinak a vlastně nesrovnatelně, se totiž kvantové algoritmy právě na tyto, jinak neřešitelné problémy mohou zaměřit mnohem účinněji.
Kvantové triky
Algoritmus využívá chytrý „trik s obrácením času“. Kvantový počítač spustí systém vpřed, lehce ho popostrčí a poté proces přesně obrátí. Vytváří tak něco, čemu vědci říkají „kvantová ozvěna“, která z chaosu systému dokáže získat užitečné informace. Pro tento úkol, jehož cílem bylo studovat, jak rychle se informace šíří v komplexním kvantovém stavu, provedl kvantový čip výpočet 13tisíckrát rychleji než nejrychlejší superpočítač na světě.
Není to poprvé, co tým Google předvedl podobný kvantový úspěch. V roce 2019 vyhlásili „kvantovou nadvládu“ poté, co jejich čip Sycamore vyřešil vysoce technický problém mnohem rychleji než superpočítač. Rozdíl ale spočívá v tom, že zatímco předchozí experiment se zaměřil na řešení nejasného problému (který byl nakonec vyřešen klasickými algoritmy běžícími na superpočítačích), tento nový výsledek řeší reálný fyzikální problém.
V konečném důsledku tento výzkum znamená, že věda se blíží dni, kdy se kvantové počítače začnou běžně používat k řešení složitých problémů, které jsou v současné době mimo dosah superpočítačů. Může se jednat například o objevování nových materiálů, navrhování lepších léků a vytváření přesnějších klimatických modelů.
Tím zřejmě nejdůležitějším je ale takzvané kvantové šifrování: kvantové algoritmy běžící na kvantových počítačích by totiž mohly snadno rozbít jakékoliv dnes používané šifry, které se využívají při běžné komunikaci po internetu – zabezpečit to, aby byl internet bezpečný, by dokázalo jen kvantové šifrování, které by bylo nerozluštitelné i těmito programy. Přípravě na tuto situaci se věnují vlády po celém světě, odhaduje se, že by mohla nastat za pět až deset let.
