Kvantové počítače: Chiméra alebo realita zajtrajška?

Mám to šťastie, že sa venujem problematike, ktorá v nejakej podobe mnohých zaujíma. Kvantová komunikácia a kvantové počítače znejú tak akosi dobre – kombinujú istú záhadnosť a zaujímavosť schovávajúcu sa za pojmom kvantovej teórie s niečím, čo je dnes každému vcelku blízke a prirodzené: počítače, mobily, internet. A nájdu sa ľudia, ktorí majú o problematike mnoho načítané a prichádzajú s veľmi konkrétnymi otázkami.

Aj preto sa vždy poteším, keď dostanem príležitosť porozprávať o svojej vedeckej práci študentom alebo na verejnej prednáške. Jednu z posledných som absolvoval pred pár týždňami v Centre pre vedecko-technické informácie. Pokúsil som sa vysvetliť aspoň základnú myšlienku toho, ako kvantové počítače majú fungovať a potom som predviedol, ako reálne fungujú. Teda, ako funguje to najlepšie, čo dnes máme k dispozícii – Quantum Experience od IBM s piatimi až dvadsiatimi kvantovými bitmi. Len pre porovnanie – pamäte klasických počítačov pracujú bežne s Gigabajtmi pamäte, teda miliardami až desiatkami miliárd klasických bitov. Napriek tomu obrovskému rozdielu je predpoklad, že už v krátkom čase, možno dokonca už tento rok, dokážu kvantové počítače vyriešiť niektoré problémy, ktoré klasické riešiť nedokážu.

A potom prišla tá otázka: dokáže dnešný kvantový počítač spočítať 2+2? Nie, bohužiaľ nedokáže. Bežné jednoduché úlohy, ktoré nás v súvislosti s počítačmi napadnú, sú pre kvantové počítače prekvapujúco ťažké. Ale študent sa nenechal odradiť – čo tak teda aspoň 1+1? Hoci som vedel, že je to typ úlohy, ktorá pre kvantový počítač nie je vhodná, nedalo mi to a musel som si to skúsiť naprogramovať.

Časť "programu" kvantového počítača pre výpočet 1+1. Čiary znázorňujú kvantové bity, prvé dve od vrchu (q[0] a q[1]) nepoužívame, tretia je pomocná a do štvrtej a piatej vkladáme jednotky (reprezentované zeleným X) a na konci z nich odčítame výsledok.  

Výsledok nebol veľmi povzbudivý – pravdepodobnosť, že sa kvantovému počítaču podarilo zistiť (či možno skôr uhádnuť) správny výsledok sa príliš nelíšila od toho, keby ho jednoducho hádal – zo štyroch ponúkaných možností 0, 1, 2 a 3 si dvojku vybral v asi 40% prípadov. V asi 30% si zvolil nulu a po 15% zostalo na jednotku a trojku. Podobne dopadol aj kontrolný výpočet 0+0 – správny výsledok počítač nenašiel ani v polovici pokusov.

Ako je to možné? Po desiatkach rokov výskumu, desiatkach tisíc vedeckých článkov a zapojení špičkových technologických firiem, ako IBM či Google, počítač nevie ani to, koľko je 1+1? Prečo napriek tomu Európska únia chystá veľkú iniciatívu na podporu kvantových projektov – Quantum flagship, ktorý je po graféne a ľudskom mozgu len tretí podobne špecificky zameraný veľký projekt? Téme sa venujú tisícky špičkových vedcov na celom svete vrátane Slovenska, prečo sa nezamerajú na inú problematiku? Odpoveď je vo svojej podstate jednoduchá. To, že kvantový počítač nevie spočítať 1+1 ešte neznamená, že nám táto technológia nemôže zásadným spôsobom pomôcť posunúť hranice poznania v mnohých iných oblastiach.

A posúvať hranice ľudského poznania je ohromne náročný proces – časovo i finančne. Venuje sa mu viac ľudí ako kedykoľvek v histórii ľudstva. Máme tiež prostriedky a prístroje, ktoré v minulosti k dispozícii neboli. Na druhej strane práve preto, že už mnohé vieme, je každý ďalší posun náročnejší a náročnejší. Je to ako stúpanie na vysokú horu – kyslíku stále ubúda každý ďalší krok bolí viac. Občas si v tejto súvislosti spomeniem na svoj výstup na Damavand (5610 m.n.m.), najvyšší vrch Stredného východu. Už sme boli v podstate hore, vrchol na dohľad, doslova čoby kameňom dohodil. Napriek tomu sme šliapali ešte vyše hodiny a akýkoľvek pokus zvýšiť tempo skončil len bezmocným fučaním.

Vo vede sa tiež často stáva, že nakoniec nájdeme niečo iné, ako sme pôvodne hľadali. Aj téma kvantových počítačov získala svoju popularitu na tom, že dokážu (ak teda raz budú poriadne fungovať) rozbiť bezpečnosť RSA šifrovania, čo by de facto zničilo súčasný koncept zabezpečenia internetovej komunikácie. Dnes vieme, že tento cieľ je veľmi vzdialený. Otvorili sa však nové možnosti – vieme bezpečne komunikovať na krátke vzdialenosti a čoskoro aj cez satelit, generovať dokonale bezpečné náhodné čísla a smerujeme k tomu, aby sme simulovali zložité chemické reakcie či biologické procesy.

Nebude to však ani zajtra, ani budúci rok. Preto je dôležité podporovať nie len vedu a vedcov, ktorí na danej problematike pracujú teraz, ale aj tých budúcich. Lebo ich čakajú ešte oveľa ťažšie kroky, ako sú tie naše dnešné. Teší ma, že tomu svojou trochou prispievajú aj aktivity, ktorým sa venujem. Či už v rámci Turnaja mladých fyzikov, Olympiády mladých vedcov alebo udeľovania Ceny Dionýza Ilkoviča, kde boli práve pred pár dňami spustené nominácie v rámci tretieho ročníka.