Hlavní navigace

Kvantová nadvláda ještě nepřišla, ale je blízko. Kvantové počítače IBM testují i Češi

1. 12. 2021
Doba čtení: 10 minut

Sdílet

 Autor: Jan Sedlák
IBM dosáhla dalšího milníku ve vývoji kvantových počítačů. Své výpočty nad nimi spouští i Češi. Budoucnost vypadá zajímavě.

Americká společnost IBM udělala další pokrok v cestě ke kvantovým počítačům. Firma oznámila kvantový procesor (QPU) Eagle pracující se 127 kvantovými bity neboli qubity. V dohledné době ho chce začít nabízet skrze cloudový přístup vybraným členům sítě IBM Quantum Network. Jde zejména o vědce a výzkumníky, kteří mají ke kvantovému počítání přístup na dálku.

Společně s procesorem Eagle začne IBM provozovat celé kvantové počítače IBM Quantum System Two navazující na Quantum System One. Vylepšený design druhé iterace byl navržen tak, aby dokázal pracovat s novou generací procesorů.

Big Blue má zároveň poměrně jasné představy, kam se v quantum computingu chce v následujících letech dostat. V příštím roce má přijít s procesorem Osprey pracujícím se 433 qubity. O rok později by měl dorazit Condor operující s 1121 qubity. Dlouhodobé vize mluví o milionu a více qubitů. V roce 2016 se přitom začalo s pěti qubity, v roce 2019 dorazil Falcon s 27 qubity a loni Hummingbird čítající 65 qubitů.

Výzkum v Evropě

IBM se ohledně výzkumu a vývoje kvantového počítání odkazuje na dřívější milníky v celém oboru. V roce 1935 šlo o EPR paradox, v roce 1964 byl popsán Bellův teorém, o čtyři roky později se zrodila teorie kvantových informací, v roce 1980 proběhla první konference zabývající se kvantovou fyzikou a počítáním, kterou pořádaly MIT a právě IBM.

IBM má výzkum kvantových počítačů velmi silně zakořeněn také v Evropě, konkrétně v IBM Research poblíž Curychu. Tamní vědci se na pracích podílí s kolegy ve Spojených státech. Lupa mohla do kvantových laboratoří nahlédnout, byť Eagle zde neběžel. IBM zrovna měla v chodu pokusy na starším laboratorním stroji, který chladila pomocí „ledničky“ obsahující Helium-3 a Helium-4. Díky tomu šlo dosáhnout na teploty deset milikelvinů, skoro absolutní nulu.

Jak vypadá kvantový výzkum IBM v Curychu? Podívejte se:

Eagle oproti předchozím kvantovým procesorům IBM přináší nový design. Aplikováno je více vrstev. Qubity jsou uspořádány na jedné samostatné vrstvě. V dalších je pak řídicí elektronika, fyzické spoje, komponenty a rekonfigurovatelná cryogenic platform.

Dále se využívá hexagonální uspořádání, což by díky omezení nechtěné interakce mezi qubity mělo redukovat chyby. Toto uspořádání má pomoci v dosažení větší stability a používat se bude i v nadcházejících generacích procesorů. „Vyřešili jsme škálovatelné balení, aby šly další generace QPU vydávat jednodušeji,“ uvádí pro Lupu Zaira Nazario, která v rámci IBM Quantum pracuje jako vedoucí pro algoritmy a aplikace.

IBM říká, že Eagle už je tak složitý, že ho tradiční počítače nedokáží simulovat. Společnost ovšem dodává, že prozatím nedosáhla takzvané kvantové nadřazenosti (quantum supremacy), kdy kvantové počítače umí řešit úlohy, jež klasické stroje nezvládnou.

Google dříve uvedl, že kvantové nadřazenosti dosáhl. IBM ovšem argumentovala tím, že šlo pouze o specifickou úlohu, kterou šlo optimalizovat i pro běžné počítače. Kvantová nadřazenost IBM by mohla přijít v roce 2023. „Procesor Eagle je významným krokem směrem k tomu, aby kvantové počítače překonaly klasické počítače,“ věří firma.

Kvantový procesor IBM Eagle:

Přesné testy Eaglu aktuálně nejsou k dispozici. IBM ho ještě musí testovat a neví, jak dlouho si qubity zvládnou udržet kvantové stavy. Není tak jasné, jak si stojí proti konkurenci. Tou je Google Sycamore, Honeywell System Model H1, čínský Zuchongzhi nebo 256qubitový produkt od startupu QuEra.

Big Blue dále představila nový standard, pomocí kterého by se dal měřit výkon kvantových strojů. Jde o CLOPS, tedy Circuit Layer Operations per Second. Odpovídá počtu kvantových obvodů (circuits), které kvantový procesor dokáže vykonat za jednotku času. Zahrnuje se nejenom rychlost a úspěšnost provedených operací, ale také odezva.

Stále chybové

Kvantové počítače jsou nicméně stále chybové. „Nadále pracujeme s nedokonalými počítači, které ne vždy opravují chyby (non-error-corrected),“ upozorňuje výzkumnice IBM Pauline Ollitrault.

„IBM Eagle je významný pokrok, ale plnohodnotný a fault-tolerant quantum computing může být třicet i více let vzdálený. Jednoduše proto, že jde o nesmírně obtížnou fyziku a inženýrství a že je nedostatek lidí s vysokou kvalifikací v oblasti inženýrství nebo informatiky, schopností kódovat a hlubokým porozuměním kvantové fyzice,“ myslí si výzkumník Mike Orme ze společnosti GlobalData.

Jak podle IBM měřit kvantové počítače
Autor: IBM

Jak podle IBM měřit kvantové počítače

„To však neznamená, že se do roku 2025 nedočkáme zařízení s okamžitou korekcí chyb. Ta by mohla být dostatečně výkonná, aby dodala kvantovou rychlost a výhodu aplikacím například v oblasti výzkumu materiálů, objevování léků a podobně. Společnosti jako VW, AstraZeneca a Goldman Sachs se v posledních dvou až třech letech připravují a budují týmy specialistů, aby tuto příležitost okamžitě využily,“ doplňuje Orme.

IBM své kvantové počítače začíná instalovat u partnerů. IBM Quantum System One, který vyšel v roce 2019, byl zprovozněn ve Fraunhoferově Institutu v Ehningenu Německu a na University of Tokyo v Japonsku. Další se dostane na Cleveland Clinic ve Spojených státech.

Ostatní zájemci mají ke kvantovým počítačům přístup přes cloud. Tento program začal v roce 2016, přístup k němu mělo či má 360 tisíc registrovaných uživatelů a vzniklo 700 vědeckých a výzkumných prací. Kvantové počítání může v budoucnu pro IBM Cloud znamenat zajímavou konkurenční výhodu a důvod, proč by z pohledu tržního podílu prozatím ne tolik zastoupený cloud zákazníci používali.

Cloudového programu se účastní i čeští zástupci. Jiří Tomčala z národního superpočítačového centra IT4Innovations při Vysoké škole báňské – Technické univerzitě Ostrava své poznatky pro Lupu shrnul v níže přiloženém rozhovoru.

„Firmy kvantové počítače prozatím využívají velmi málo, jsme teprve na začátku. Aktuálně je to záležitost vědců a akademiků,“ přibližuje pro Lupu Alberto Di Meglio, vedoucí CERN OpenLab. „Zároveň nelze tvrdit, že kvantové počítače nahradí ty klasické, budou se doplňovat.“ Hannah Vetzl z Fraunhofer Institutu uvádí, že firmám dávají ke kvantovému počítači od IBM přístup, aby si mohly technologii osahat.

Jiří Tomčala o zkušenostech s kvantovým počítačem IBM:

Jiří Tomčala pracuje jako výzkumník v národním superpočítačovém centru IT4Innovations. Letos tamtéž získal doktorát v oboru Výpočetní vědy a předtím studoval Aplikovanou matematiku na VŠB – Technické univerzitě Ostrava. V tomto roce také získal Certificate of Quantum Excellence od IBM Quantum a v rámci HPC Summer School 2021 byl lektorem evropským studentům v projektu Quantum algorithms and their applications. V rozhovoru pro Lupu popisuje své zkušenosti s IBM Quantum.

Jaké úlohy jste na kvantovém počítači IBM zkoušel?

Zkoušel jsem zejména implementace nejznámějších kvantových algoritmů, a to jak na simulátoru, tak na opravdovém kvantovém počítači. Jednalo se o kvantové obvody implementující kvantovou teleportaci, Deutsch-Jozsův algoritmus, Groverův algoritmus, přímou i inverzní kvantovou Fourierovou transformaci a následně i na to navazující Shorův algoritmus.

Tyto algoritmy využívají speciální vlastnosti kvantových bitů (qubitů), jako jsou superpozice a zapletení (entanglement), které s nimi umožňují provádět operace, jež na klasickém počítači udělat nejdou. Tyto kvantové algoritmy byly vyvinuty speciálně pro kvantové počítače a jejich implementace na klasickém počítači má smysl jenom v případě simulace kvantového počítače. V dnešní době totiž stále nejsou přesné kvantové počítače s dostatečným množstvím qubitů k dispozici. Proto se v současnosti většina výzkumu provádí na simulátorech, které běží na klasických počítačích.

Jaké jste zaznamenal výsledky?

Při spouštění programů na opravdovém kvantovém počítači jsem zjistil, že přesnost výsledků se vzrůstajícím počtem kvantových operací (označují se a kreslí se jako kvantové brány) rapidně klesá. Je to dáno tím, že se chyby těchto kvantových bran náhodně sčítají a odčítají, takže při jejich větším množství můžete na konci, při měření výsledného kvantového stavu, dostat v podstatě cokoliv.

Jedním z řešení je zredukovat počet těchto bran na minimum, což jsem s úspěchem udělal při jednom příkladu implementace Shorova algoritmu se svými zahraničními studenty v rámci HPC Summer School. Pořád nám to dávalo nesmyslné výsledky, a když jsme zmenšili počet bran, tak jsme začali dostávat přibližně správné hodnoty. Podotýkám „přibližně“, protože ve světě kvantových počítačů není nikdy nic na sto procent. Všechny výsledky dostáváte s nějakou pravděpodobností. Ovšem všechny tyto výsledky dostáváte v podstatě okamžitě a nezáleží na počtu qubitů, protože kvantové operace na nich probíhají paralelně.

Jediné zdržení jde na vrub obslužných programů, běžících na klasickém počítači, takže celkový čas je pak zhruba v řádu desítek sekund. Navíc s rostoucí velikostí počítané úlohy tento čas příliš neroste, což dokazuje fakt, že Sycamore (kvantový počítač od Googlu) provedl na podzim roku 2019 za 200 sekund takový výpočet, který by jednomu z největších superpočítačů na světě (IBM Summit) trval deset tisíc let.

S jakou verzí kvantového počítače IBM jste pracoval? A jaké jsou podmínky?

Používal jsem hlavně Falcon r5.11L, Falcon r4L a Falcon r4T. Používal jsem pouze volně přístupné kvantové počítače a nebylo u nich žádné omezení. Na pětiqubitové kvantové počítače od IBM je přístup zdarma. Na vícequbitové stroje pak mají přístup výzkumné instituce, pokud jsou součástí jejich tzv. Quantum Network a mají nějaký zajímavý výzkumný záměr. 

Budete zkoušet i Eagle?

Pokud budu mít tu možnost, tak určitě. Čím víc qubitů, tím větší úlohy můžete spustit, takže právě to od tohoto nového kvantového procesoru očekávám. Pokud máte k dispozici 127 qubitů, můžete na vstupu kvantového obvodu vytvořit superpozici 2 na 127 kombinací, což je přibližně 1,7krát 10 na 38. Toto 39místné číslo pak představuje počet kombinací na vstupu, které (díky kvantovému paralelismu) může kvantový obvod zpracovat najednou. To je něco nepředstavitelného, a pokud ten procesor bude dostatečně přesný, tak to může mít vážné důsledky, například pro zabezpečení internetové komunikace.

Jak funguje přístup ke kvantovému počítači přes cloud? Je mezi tím prostředník v podobě klasického serveru, který ji předloží kvantovému stroji?

Ano, na jejich stránkách běží webové rozhraní cloudu, pomocí kterého si vytvoříte kvantový obvod a ten pak pošlete do fronty některého z volně dostupných kvantových počítačů. Naměřené výsledky a mnoho dalších informací o spuštění vašeho obvodu se potom uloží do speciální složky, kde si je pak můžete zobrazit.

Jak probíhá programování pro IBM Quantum?

Už z podstaty je to úplně o něčem jiném. K dispozici jsou klasické i kvantové bity (qubity), na nichž lze provádět pouze několik málo základních operací, které jsou v kvantovém obvodu potom formálně reprezentovány jako kvantové brány. Jsou to hlavně různé rotace kvantových stavů qubitů, které mohou být podmíněny stavem jiného qubitu, nebo i klasického bitu. Můžete si z těchto základních bran vytvořit i vlastní, složitější bránu a tím svůj kvantový obvod zpřehlednit. K pochopení smyslu těchto rotací je třeba si nastudovat celé paradigma kvantového počítání a není možné to jednoduše vysvětlit v rámci jednoho rozhovoru. Programovat lze v OpenQASM, který je součástí Qiskitu, nebo je taky v rámci cloudu k dispozici i vzdálená konzole IPython, ze které lze spouštět skripty v Pythonu. Použitý programovací jazyk je ovšem pouze prostředkem k sestavení kvantového obvodu a na výsledek nemá vliv. 

IBM a další hodně skloňují pojmy jako quantum advantage. Co si pod tím představujete vy?

Ano, termíny jako quantum advantage (kvantová výhoda) a quantum supremacy (kvantová nadřazenost) se v poslední době hodně skloňují. Pro mě, samozřejmě stejně jako pro ostatní lidi z komunity, znamená pojem dosažení kvantové výhody schopnost provedení výpočtu příkladu z reálného světa rychleji na kvantovém počítači než na klasickém. Dosažení kvantové nadřazenosti pak znamená schopnost provedení jakéhokoliv výpočtu rychleji na kvantovém počítači než na klasickém. Jak jsem již v jedné z předchozích odpovědí zmínil, tak této kvantové nadřazenosti dosáhl Google již v roce 2019. Dosažení kvantové výhody je tak podle mě pouze otázka času. 

Zajímal by vás i přímý přístup k fyzickému kvantovému počítači?

Přímý přístup by měl smysl pouze v tom případě, kdy bychom potřebovali kontinuálně spouštět jeden kvantový obvod za druhým, což není náš případ. Pro naše výzkumné účely úplně stačí vzdálený přístup, stejně jako je tomu dnes u všech dnešních klasických superpočítačů. Vždycky potřebujeme nějaký čas k analyzování naměřených výsledků, a navíc, jak jste si asi všiml, tak cena takového kvantového počítače je v současnosti v řádu několika desítek milionů dolarů.

Vidíte nějaké konkrétní případy, kdy by kvantové počítače dávaly smysl v komerční praxi?

ICTZ_2022_EARLY

Ano, vidím, ale pořád je tu to slovíčko „by“ ve vaší otázce. Pokud by byly současné kvantové počítače dostatečně přesné a s dostatečným počtem qubitů, tak by se daly použít v oblasti strojového učení, umělé inteligence, kybernetické bezpečnosti, optimalizace dopravy, předpovědi počasí a tak dále – prostě všude tam, kde je zapotřebí najít řešení nějaké obrovské úlohy.

Budoucnost je dle mého názoru v takzvaných hybridních počítačích, které budou obsahovat jak klasický, tak i kvantový počítač. Ten klasický bude modifikovat řešenou úlohu do formy vhodné pro ten kvantový a po průchodu potom dále zpracovávat výsledky měření kvantových stavů na jeho výstupu. Tyto hybridní počítače můžeme vyvíjet už dnes s pomocí simulátorů kvantových počítačů a být tak připraveni na dobu, kdy budou k dispozici kvantové počítače dostatečně přesné a s dostatečně velkým počtem qubitů.

Autor článku

Reportér serveru Lupa.cz, dříve redaktor deníku E15, týdeníku Euro a webu Connect.cz. O technologiích píše také do zahraničních médií.