Kolem kvantových počítačů panuje velký rozruch – mluví se o tom, jak fascinující je to obor a jak revolučním způsobem řešíme složité problémy v mnoha odvětvích. Oba tyto body jsou pravdivé, neboť kvantové výpočty reprezentují nový přístup ke zpracování informací.
Po celém světě investují organizace značné finanční prostředky do vývoje kvantových výpočetních technologií, protože tyto technologie mají schopnost analyzovat rozsáhlé množství variant a generovat potenciální řešení komplexních výzev.
Co je to kvantové počítání?
Kvantové počítání je odvětví informatiky, které staví na principech kvantové fyziky (tedy zkoumání, jak existují a interagují atomové částice). Kvantová fyzika objasňuje chování hmoty a energie na atomové i subatomární úrovni.
Kvantové počítače pracují s kvantovými bity, neboli qubity (vyslovuje se „kjú-bity“), které mohou existovat ve více stavech současně. Tato specifická vlastnost umožňuje kvantovým počítačům řešit úlohy, které by pro běžné počítače vyžadovaly ohromující množství času nebo výpočetního výkonu.
Jak funguje kvantové počítání?
Kvantové výpočty využívají qubity k vytvoření kvantových počítačů, které obsahují kvantové systémy, jako jsou fotony a elektrony. Ty se často používají k výpočtům, které by pro klasické počítače byly zpravidla nepraktické. Kvantové výpočty navíc využívají kvantová logická hradla k manipulaci s qubity a provádění výpočtů.
Kvantová hradla jsou obdobou logických hradel používaných v klasických počítačích, ale pracují s kvantovými bity. Výzkumníci je používají k vytváření a manipulaci se superpozicemi a propletením qubitů.
Cílem je posunout výpočetní možnosti na vyšší úroveň a řešit komplexní problémy, se kterými si dnešní klasické počítače nedokážou poradit kvůli svému binárnímu přístupu a omezení na existenci pouze ve dvou stavech – 0 a 1. Kvantové výpočty naopak mohou nabývat obou stavů současně.
Rozdíl mezi kvantovým a klasickým počítáním
Rozdíly mezi kvantovým a klasickým počítáním se týkají jejich výpočetních schopností a způsobu, jakým fungují. Kvantové výpočty vycházejí z kvantové teorie.
Klasické výpočty jsou založeny na binárních číslicích, neboli bitech, které mohou nabývat hodnoty 0 nebo 1. Kvantové počítače používají jako jednotku dat qubity. Kvantové výpočty mohou nabývat obou hodnot (0 a 1) současně – tento stav se nazývá superpozice. Tato vlastnost umožňuje kvantovým počítačům existovat ve dvou stavech najednou.
Pokud jde o výkon, klasické výpočty mají menší výpočetní sílu než kvantové výpočty, protože jejich výkon se zvyšuje lineárně s počtem dostupných tranzistorů. U kvantových výpočtů se výkon významně zvyšuje v závislosti na počtu qubitů.
Na rozdíl od klasického počítání, které lze realizovat pomocí kódů napsaných v programovacích jazycích jako Java, SQL, PHP, C#, C++ a Python, kvantové počítání kombinuje kód, matematiku, fyziku a algoritmy pro specifické účely.
Kvantové výpočty nejsou kvůli své složité architektuře, citlivosti a vysokým nákladům na vývoj a implementaci koncipovány jako univerzální stroje pro veřejné použití. Jsou navrženy pro konkrétní účel a případ užití. Klasické počítače jsou naproti tomu rozšířené a snadno dostupné.
Kvantové počítače mají vyšší chybovost než klasické a vyžadují zvláštní péči, například umístění v ultrachladné místnosti kvůli regulaci teploty. Klasické počítače naopak mohou fungovat při pokojové teplotě.
Co se týče použitelnosti, kvantové výpočty se hodí pro složité úkoly, jako jsou simulace, optimalizace, strojové učení a další operace náročné na zdroje. Klasické výpočty jsou vhodné pro úlohy, jako je zpracování textu, tabulkové výpočty a další úkoly nenáročné na zdroje.
Výhody kvantového počítání
Výhody kvantového počítání jsou při správném využití obrovské. Níže jsme shrnuli hlavní přednosti.
- Rychlost: Kvantové počítače dokážou zpracovávat data tisíckrát rychleji než běžné počítače.
- Zabezpečení: Kvantové algoritmy lze využít ke zlepšení digitálního šifrování a ochraně IT infrastruktury organizací.
- Schopnost řešit složité problémy: V roce 2019 společnost Google oznámila, že její procesor Sycamore s 54 qubity provedl výpočet, který by nejrychlejšímu superpočítači na světě trval 10 000 let. Sycamore to dokázal za 200 sekund.
- Zlepšení odhalování podvodů: Finanční instituce mohou využívat kvantové výpočty k vytváření sofistikovanějších simulátorů obchodování, navrhování efektivních investičních portfolií a zlepšení odhalování podvodů.
- Výzkum: Kvantové výpočty pomáhají vědcům vyvíjet lepší modely a přístupy k řešení problémů v různých odvětvích, například při výzkumu léků ve zdravotnictví a chemických objevech ve výrobě.
Vlastnosti kvantového počítání
Níže jsou uvedeny klíčové charakteristiky kvantového počítání.
Superpozice
Schopnost kvantových systémů existovat současně v několika stavech se nazývá superpozice. Klasické počítače mohou existovat pouze v jednom stavu (0 nebo 1), takže schopností superpozice nedisponují.
Zapletení
Zapletení nastává, když jsou dva qubity vzájemně propojeny a stav jedné částice ovlivňuje stav druhé, i když jsou od sebe vzdáleny i kilometry. Často se používá k vytvoření kvantové sítě, která kvantovým počítačům umožňuje sdílet informace.
Interference: V kvantových systémech je interference vedlejším produktem superpozice. Jedná se o vlnový jev, ke kterému dochází, když subatomární částice interagují a ovlivňují se.
Interference může být buď konstruktivní (kdy se vlny navzájem posilují a zesilují správnou odpověď), nebo destruktivní (kdy se navzájem ruší).
Dekoherence
Kvantové systémy jsou křehké a citlivé na své okolí. Rušení z prostředí může způsobit, že se kvantové chování qubitů zhroutí a ztratí své kvantové schopnosti.
Například šum může způsobit, že qubity vypadnou ze superpozice. I změny teploty mohou ovlivnit jeho výkon. Proto je nutné udržovat kvantové počítače ve vysoce regulovaném a kontrolovaném prostředí.
Omezení a výzvy kvantového počítání
I když kvantové výpočty nabízejí mnoho výhod, mají také určité nevýhody, které stojí za zmínku.
- Dekoherence: Kvantové počítače jsou na rozdíl od klasických počítačů citlivé na šum. Rušení může způsobit, že kvantový systém vypadne ze superpozice dříve, než dokončí své úkoly.
- Nutnost odborníků: Kvůli své složitosti vyžaduje kvantové počítání spolupráci různorodé skupiny kvantových specialistů.
- Kvantová oprava chyb: Během výpočetních operací se pravděpodobně vyskytnou chyby, které povedou k nepřesným výsledkům. Kvantový systém odolný proti poruchám je nutný, aby dokázal odolávat rušení z okolí.
Reálné aplikace a využití kvantového počítání
#1. Finanční modelování
Finanční trh je nestálý a vysoce nepředvídatelný. S kvantovými výpočty mohou finanční organizace simulovat finanční systémy a využívat tuto technologii k modelování investic na základě očekávaných výnosů.
Kvantové výpočty lze také využít při optimalizaci portfolia, snižování a správě rizika a při oceňování opcí. Ti, kteří provádějí velkoobjemové transakce, mohou využít kvantové výpočty k předpovídání trhů a analýze globální finanční ekonomiky.
#2. Optimalizace logistiky
Kvantové počítače vynikají ve sběru dat v reálném čase a jejich využití k optimalizaci logistiky dodavatelského řetězce, zásob a přepravy. Organizace neustále kalkulují a překalkulovávají optimální trasy pro řízení provozu, flotily, leteckého provozu, nákladu a distribuce – to lze provádět pomocí klasických počítačů.
Pro velké organizace s komplexními potřebami v dodavatelském řetězci však může být tento proces náročný na zdroje, a zde mohou kvantové výpočty přijít na pomoc.
#3. Lepší baterie
Vzhledem k tomu, že elektrická vozidla (EV) se stávají běžnou součástí našeho života, výrobci využívají kvantové výpočetní schopnosti k simulaci chování molekul a materiálů. Díky tomu lépe chápou chemické sloučeniny lithia a baterií a mohou optimalizovat jejich životnost.
Kromě elektromobilů nachází kvantové počítání uplatnění také v oblasti skladování obnovitelné energie a mobilních zařízení.
#4. Výrobní
Kvantové výpočty se využívají ke zlepšení mnoha aspektů výroby. Expertní analýza, kterou zveřejnil IBM Institute for Business Value, rozdělila případy použití kvantových počítačů ve výrobě do čtyř kategorií:
Objevování
- Chemie
- Věda o materiálech
- Fyzika kondenzovaných látek
Návrh
- Analýza konečných rozdílů
- Strukturální analýza Hydro/aerodynamika
Řízení
- Optimalizace
- Strojové učení
- Klasifikace
Zásobování
- Dodavatelský řetězec
- Optimalizace
- Modelování rizik
Ti, kdo začlení kvantové výpočty do těchto klíčových oblastí, získají rozhodující výhodu, protože jim to pomůže snížit výrobní náklady a zvýšit tempo produkce.
#5. Vývoj klimatických modelů
Kvantové výpočty by mohly pomoci vyřešit přetrvávající problémy udržitelnosti, jako je změna klimatu. Podle zprávy Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) je nutné do roku 2025 výrazně snížit emise skleníkových plynů, abychom se vyhnuli rozsáhlým klimatickým katastrofám. Kvantové výpočty lze využít ke zmírnění dopadů změny klimatu.
Výroba čpavku se podílí 1–2 % na celkových celosvětových emisích oxidu uhličitého. Kvantové výpočty mohou pomoci při vývoji alternativní čisté energie, jako jsou lepší baterie pro elektrická vozidla, solární energie a další, a usnadnit tak proces dekarbonizace Země. Mohou také přispět ke zlepšení modelů předpovědi klimatu a počasí a také k řízení sítě.
#6. Automobilový průmysl
Automobilový průmysl rychle přijímá technologii kvantových počítačů, což je patrné z partnerství mezi společnostmi zabývajícími se kvantovými technologiemi a výrobci automobilů, například D-Wave Systems a Volkswagen; Zapata Computing a Bosch; a dokonce i IBM Quantum a Mercedes-Benz.
Výrobci originálního vybavení (OEM) se snaží využít kvantové výpočty k optimalizaci tras a zvýšení odolnosti materiálu.
#7. Vývoj letadel
Letecké společnosti mohou využívat kvantové výpočty pro mnoho procesů, od optimalizace letového plánu po modelování letadel a digitalizaci. Společnost Airbus, která navrhuje, vyrábí a prodává komerční letadla, investovala do firem IonQ, Q-CTRL a QC Ware, aby využila kvantové technologie při vývoji složitých modelů letadel.
#8. Vývoj léků
Klasické počítače se v současnosti používají ke spouštění stovek milionů molekulárních simulací, ale velikost molekul, které mohou vypočítat, je omezená. Kvantové počítání umožňuje výzkumu a vývoji simulovat velké a složité molekuly, a tím zlepšit počítačem podporované objevování léků (CADD).
Společnost McKinsey & Company v roce 2021 uvedla, že farmaceutické firmy vynakládají přibližně 15 procent svých tržeb na výzkum a vývoj. To představuje více než 20 procent celkových výdajů na výzkum a vývoj ve všech odvětvích na celém světě.
Tato investice částečně pomáhá farmaceutickému průmyslu hledat efektivní způsoby, jak vyvinout mikromolekuly a makromolekuly, které mohou pomoci léčit nemoci. S kvantovými výpočty mohou výzkumníci rychle eliminovat neperspektivní cesty a urychlit vývoj léků s vyšší šancí na úspěch.
#9. Strojové učení
Díky schopnosti kvantových počítačů zpracovávat rozsáhlá a komplexní data, jsou ideální pro strojové učení. Kvantové strojové učení je obor, který integruje kvantové algoritmy s programy strojového učení.
Kvantové algoritmy mohou mít polynomiální nebo superpolynomiální (exponenciální) zrychlení, což zvyšuje výpočetní rychlost. Díky kvantovému strojovému učení mohou datoví specialisté vyvíjet rychlejší a pokročilejší algoritmy, řešit složité datové vzorce a dosáhnout pokroku ve vývoji aplikací počítačového vidění a posilování učení.
Učební zdroje: Kvantové počítání
Pro další studium doporučujeme následující zdroje:
#1. Tanec s Qubity
Tato kniha, jejímž autorem je Robert S. Sutor, objasňuje, jak funguje kvantové počítání a jak souvisí s vědeckými výpočty a umělou inteligencí. Dancing with Qubits se zabývá rozdíly mezi klasickým a kvantovým počítáním a popisuje jeho využití v různých odvětvích.
Čtenáři se také seznámí s pojmy, jako jsou superpozice, zapletení a interference, stejně jako obvody a algoritmy. Tento zdroj vás naučí základy a fundamenty kvantového počítání.
#2. Kvantové počítání: Aplikovaný přístup
Tento materiál, jehož autorem je generální ředitel společnosti SandboxAQ (Jack D. Hidary), která se zabývá kvantovými technologiemi, kombinuje teorii a praktičnost kvantového počítání včetně praktického kódu.
Kniha je rozdělena do tří částí: První část pokrývá základy kvantového počítání a kvantových obvodů, druhá část vysvětluje algoritmy kvantového počítání a poskytuje kód současných metod kvantového počítání a třetí část se věnuje matematickým aspektům kvantového počítání.
#3. Kvantová výpočetní technika pro každého
Začátečníci, kteří hledají komplexní materiál, shledají tento zdroj přínosným. Kniha pojednává o základech kvantového počítání a objasňuje jeho klíčové součásti, jako jsou qubity, zapletení a kvantová teleportace.
Autor této knihy, Chris Bernhardt, zjednodušuje matematiku kvantových počítačů a také vysvětluje, jak se kvantové počítače staví. To usnadňuje pochopení procesu vývoje systémů lidem, kteří s kvantovými počítači teprve začínají.
Závěr
Společnosti jako Google, IBM a Microsoft jsou v čele inovací v oblasti kvantových výpočetních řešení – a ani univerzity nezůstávají pozadu. Nedostatek odborníků na kvantové počítače přispívá k pomalému pokroku, navíc náklady na stavbu kvantového počítače jsou vysoké a jen málo organizací má zdroje potřebné k jeho vytvoření.
I když kvantové výpočty v sobě skrývají velký slib, zatím takové nejsou. Bude trvat ještě několik let, než se naplno rozvine jejich potenciál a stanou se stejně běžnými jako klasické počítače.
Můžete si také přečíst o Fog Computing.