Kvantové počítače
IBM vydalo své vlastní ohlédnutí za rokem 2022 a nastiňuje, co nás čeká letos. Pěkné, zajímavé a dlouhé čtení. Vesměs tam není žádná extra úplně nová informace, o které bychom zde nepsali, ale je fajn si to přečíst v souvislostech.
Na VentureBeat najdete článek o tom, jak by rok 2023 mohl být přelomový pro kvantové počítače. Krom toho, že se to říká o každém roce, byl bych docela opatrný. Pokročilý, hlavně hardwarový výzkum je drahý a některé firmy již začínají mít problémy s financemi. Navíc, jak popisuji níže, za rok 2022 do kvantových technologií přiteklo jen o něco méně peněz než v 2021. Což by se mělo také uvážit. Kde osobně bych viděl největší dynamiku, je kvantový software. Tam vývoj není tak drahý a vstupní bariéra je poměrně nízká. Je to hlavně o mozcích, případně AI.
Vědci z MIT opět trochu vylepšili kvantové počítače, které potřebuji kryogenické chlazení. Jen pro připomenutí, teplo je nejčastějším zdrojem kvantových chyb u supravodivých, ale i třeba spinových qubitů. Proto je umisťujeme do kryogenických mrazáků, kde pracují při teplotách blízko nule. Nicméně dané qubity se musejí řídit, vyčítat, inicializovat a podobně. Takže do kryostatu vedou kabely, většinou koaxiální, a jejich množství roste s počtem qubitů. A ty nám tam přinášejí teplo nejen zvenku, ale i vlastním průchodem proudu. Na MIT na to šli bezdrátově. Za prvé, v kryostatu vytvořili skleněné okénko, skrze které signál může jít dovnitř/ven. Dále nelze použít třeba Wi-Fi, neboť frekvence na úrovni GHz se používají i k řízení qubitů a došlo by k nežádoucí interferenci. Takže zde úspěšně zprovoznili a otestovali terahertzovou komunikaci. THz frekvence sedí mezi rádiovými frekvencemi a infračerveným světlem. Nepřekvapivě dokážou přenést více dat než rádiové systémy. THz komunikace začíná být poslední dobou docela trendy, neboť technologický pokrok v THz komunikaci je poměrně čerstvý.
Vědci z německého Fraunhofer Institute představili nové součástky pro kvantové počítače pro kryogeniku. Konkrétně jde o propojky mezi řídicím a vyčítacím systémem a samotnými qubity. I jen tato propojka generuje miniaturní magnetické pole, a to je škodlivé. Zde vědci použili ultratenké propojky z india. To s sebou nese nové poznatky ve výrobě elektroniky pro kryogenické prostředí.
Vyčítací čip pro kvantové počítače používající nové propojky
QuantWare oznámilo významný pokrok v kvantových procesorech. QuantWare pracuje na svém patentovaném 3D kvantovém supravodivém čipu, kde supravodivé obvody jsou propojené i vertikálně. Tento přístup slibuje mnohem lepší škálovatelnost. To QuantWare demonstruje se svým novým 64qubitovým procesorem Tenor. Škoda, že zatím nejsou dostupné obrázky, jak vypadá topologie a propojení qubitů.
3D supravodivý kvantový procesor QuantWare Tenor s 64 qubity
Quantinuum opět vylepšilo své kvantové procesory na bázi uvězněných iontů a dostalo se na hodnotu Quantum Volume 32 768. Tohoto vynikajícího výsledku dosáhli se svým modelem H1–1. Vylepšený byl řídicí laser, zvýšena fidelita dvouqubitových operací a další. Více o Quantum Volume zde.
Kvantový software a algoritmy
Google publikoval v Nature svůj pokrok v oblasti korekce kvantových chyb. Tedy vytvoření logického qubitu. Ještě nejsme tak daleko, že by tento logický qubit byl lepší než ty fyzické. To důležité poselství je ta mašinérie za tím logickým qubitem, která umí opravovat kvantové chyby. K tomu Google na svém blogu vydal obsáhlý příspěvek ohledně tohoto pokroku. Konkrétně pracují s tzv. surface code. Příspěvek nastiňuje celou roadmapu, jak chce Google dosáhnout téměř ideálních (logických) qubitů. Avšak hlavní poselství je, že Google připravil první prototyp logického qubitu. Pro praktické použití potřebujeme chybovost stáhnout alespoň tisíckrát. Ale jsme na dobré cestě.
Roadmapa Googlu v oblasti logických qubitů
IBM a PayPal demonstrovaly takzvaný variational quantum optimization technique for feature selection (VarQFS) algoritmus. Tento algoritmus je vhodný kandidát na takzvaný feature selection problém, nebo v češtině takzvaný výběr rysů. Jde o problém, kde potřebujeme vybrat podmnožinu vlastností či rysů pro sestavení modelů pro strojové učení nebo statistiku. Ve výsledku vědci zjistili, že kvantový algoritmus pro některé případy může být lepší než současné, klasické metody. Avšak potenciál algoritmu může být větší.
Qiskit na svém blogu vydal příspěvek, který čtenáře uvádí do modulu Bosonic Qiskit. Jedná se o velmi zajímavou „hračku“, kde pomocí bosonů ve formě qumodů můžete simulovat qudity, tedy d-dimensionální kvantovou informaci (qubit má dvě hodnoty, tedy je dvoudimensionální. Podobně qutrit je třídimenzionální a tak dále). Výpočetní potenciál takového systému roste velmi významně. Ale stejně tak roste složitost logiky za ním. A to nemluvě o případné fyzikální realizaci.
Qumody mohou být fyzikálně realizovány různými způsoby. Pomocí fotonů, uvězněných iontů či supravodivými obvody.
Kvantová bezpečnost
Kvantové počítače budou v budoucnu představovat problém pro velkou část internetového provozu, a to včetně DNS. O možných dopadech na DNS si můžete přečíst právě zde. Ony tam jsou vlastně i další nepřímé důsledky. PQC obecně bude používat větší klíče a digitální podpisy, což nutně povede k většímu datovému provozu, který DNS servery budou muset zvládnout. Navíc v některých případech velikost paketů může být pro UDP protokol i příliš velká. V tomto smyslu DNS služby ruku v ruce s přechodem na PQC budou muset přejít i na výkonnější hardware.
Narazil jsem na YouTubu na přednášku o QKD a EuroQCI od NÚKIBu z minulého roku:
Izraelský startup QuantLR spustil svůj první produkt LoQomo 1 postavený na QKD. Jedná se o low-cost QKD řešení, kde se chlubí, že jejich řešení už otestovalo několik klientů, a je tedy připravené pro komerční nasazení.
Korejský SK Telecom představil svůj bezpečnostní čip „Quantum Cryptography One Chip“. Jedná se o miniaturní čip pro kvantové generování náhodných čísel (QRNG) a takzvanou physical unclonable function (PUF) s nízkou spotřebou vhodnou i do IoT zařízení. Na vývoji se podílelo i ID Quantique.
Quantum Cryptography One Chip od SK Telecom
Nedávno se objevil článek, kde autoři tvrdí, že prolomili PQC algoritmus CRYSTAL-Kyber, který má být standardizován organizací NIST. A v komunitě bylo kolem toho velké haló. Opět. Zajímavostí tohoto útoku je, že bylo použito AI, a to v dnešním kontextu ChatGPT a podobně vyvolává ještě větší obavy. Nicméně je potřeba k tomu přistupovat s chladnou hlavou. To že CRYSTAL-Kyber byl prolomen, je jen mediální zkratka. Samotný algoritmus prolomen nebyl. Jen jeho implementace. To je stejné jako s QKD. QKD je super bezpečné, neodposlouchávatelné, ale záleží na implementaci, vždy tam jsou nějaké předpoklady. O PQC se můžete dočíst i tady.
Velcí hráči nejen v telekomunikaci jako IBM, Vodafone a další členové asociace GSMA vydali obsáhlý report o vlivu kvantové hrozby pro telekomunikace. Doporučené čtení pro lidi z oboru.
Kvantový byznys, investice a granty
The Quantum Insider vydal report ohledně investic do kvantových technologií. V roce 2022 byly investice mírně nižší než v roce 2021. Nicméně pořád velmi vysoké. Navíc rok 2023 se nám rozjíždí ve velkém s tím, co vše už bylo ohlášeno. Ale v globálním obrázku na to, kolik VC investují, je sektor kvantových technologií jen malý zlomek. Kromě USA tak největší investorskou aktivitu lze sledovat ve Velké Británii, Francii, Finsku a Německu. V roce 2022 bylo zainvestováno více než 40 kvantových společností. Mnohem více detailů najdete i v samotném reportu.
University of Sydney oznámila investici 7,4 milionu dolarů do rozšíření svých kvantových laboratoří. Konkrétním cílem je vytvoření takzvané Future Qubit Foundry, tedy zařízení, kde chtějí pracovat na qubitech budoucnosti. Už nyní jsou jejich kvantové laboratoře na špičkové úrovni a tímto krokem je ještě povýší.
