(Poznámka z „budoucnosti“, tedy roku 2019: Dnes o kvantových vlastnostech počítačů D-Wave v podstatě již nikdo nepochybuje. Stále ovšem platí, že tyto výpočetní stroje mají velmi omezené využití a hodí se jen pro velmi specifické úlohy. Univerzální kvantový počítač se mezitím zřejmě blíží, ale stroje se skutečně zajímavým výkonem a dostatečnou spolehlivostí pro široké praktické použití jsou stále poměrně daleko.)
O tom, že dnešní počítače se blíží hranicím svých možností, mluví odborníci už dlouho. Není jasné, kdy na jejich slova dojde, ale stávající technologie má fyzikálně dané hranice: pod jisté rozměry se obvody zmenšit nemohou. Problém se dá obejít několika způsoby, ale tím nejodvážnějším je snaha o vývoj tzv. kvantových počítačů.
Název těchto strojů je odvozený od kvantové fyziky, tedy na pohled nelogických zákonů chování jednotlivých částic, která se od té naší klasické, newtonovské hodně liší. Zároveň je tento název trochu zavádějící, protože kvantových jevů se využívá už v dnešní elektronice, ale vžil se. Navíc má být nová generace zatím jen slibovaných kvantových počítačů skutečně výrazně výkonnější než dnešní technika.
Kvanta pro každéhoPřiblížit funkci počítače D-Wave pomocí přirovnání není jednoduché. Náš pokus vypadá následovně (kritiku a náměty k vylepšení přijímáme v diskusi): Počítač si můžeme představit jako trojrozměrnou mapu krajiny se sadou kuliček (tj. bitů, respektive kvantových bitů). Když dáme kuličky na mapu, tak se automaticky skutálejí do nejhlubšího "údolí" v okolí. Takového stroje se nemůžete zeptat na libovolný problém, ale můžete se například otázat, jak se s co nejmenším výdajem energie dostat z bodu A do bodu B. Nebo na libovolný jiný problém, který dokážete zformulovat do otázky v této formě. Kromě obligátního "Kde je nejnižší bod na mapě?" můžete zjišťovat také třeba "Kdy si atomy nějaké sloučeniny 'sednou' do podoby s nejnižší možnou celkovou energií?" Při rychlém hledání "údolí" počítač D-Wave využívá tzv. "kvantového tunelování". Ve světě jednotlivých částic se může čas od času skutečně stát, že částice dokážou projít zdánlivě neprostupnou překážkou (tzv. potenciálovou bariérou), tedy se jí "protunelovat". V rámci našeho příměru bychom mohli říci, že kuličky umí procházet horami v krajině. Počítač je kvůli tomu chlazený na teplotu blízkou absolutní nule (0,005 stupně nad absolutní nulou). Při vyšších teplotách by bity v počítači mohly "přeskakovat" překážky díky náhodným teplotním výkyvům. Při teplotě blízké absolutní nule na takové věci není dost energie. Zároveň by měly jednotlivé bity být v obou stavech najednou, takže počítač v podstatě pracuje s několika možnostmi paralelně během jednoho výpočtu. Zároveň by měly být částice ještě tzv. kvantově provázané, což v důsledku znamená, že pokud se změní stav jednoho bitu, změní se na dálku okamžitě i stav bitů s ním provázaných. Obrazně řečeno tedy v počítači běží několik výpočtů najednou, ale jakmile jeden dílek zapadne na své místo, ostatní dílky si sednou na "správné" místo. |
Převést tento nápad do praxe je však zatím nepřekonatelný problém, který se podle střízlivých odhadů může řešit ještě desítky let. Kupodivu si však "kvantový počítač" můžete koupit už dnes.
Od roku 2011 je prodává malá kanadská firma D-Wave (stránky zde). A i když ceny jsou horentní (přes deset milionů dolarů za kus), už si našla zákazníky. Prvním byla firma Lockeheed-Martin a nově se do seznamu kupců zapsala i agentura NASA společně s Googlem.
Počítač v kvantovém stavu: zároveň je i není
Když se nedávno mluvilo o počítači D-Wave na rádiu BBC 4, zaznělo, že je kvantový doslova. Stejně jako částice se vyskytuje ve dvou stavech najednou: zároveň je kvantový i není.
To je asi nejlepší zkratka současné situace, jakou jsme zatím v rekadci četli nebo slyšeli. Už od představení první verze stroje D-Wave v roce 2007 se totiž ozývají skeptici, podle kterých o skutečný kvantový počítač nejde. A firma je za roky, které od té doby uplynuly, stále nepřesvědčila.
Potíž je v jeho konstrukci. Vysněný kvantový počítač by měl být stejně univerzální jako dnešní stroje. Měl by zvládnout jakoukoliv výpočetní operaci, která je správně zapsaná, jen by to měl dělat rychleji. Hlavně díky tomu, že může "dělat několik věcí najednou".
V kvantovém světě je totiž možné být v několika stavech najednou. Takže zatímco klasický bit může být buď 1, nebo 0, kvantový může být obojí najednou (je to tzv. kvantová superpozice stavů). Kvantový počítač by tak mohl teoreticky počítat s oběma hodnotami najednou, v případě vícebitového počítače pak čistě teoreticky dokonce se všemi kombinacemi těchto bitů najednou. Jak kombinací hodnot bitů přibývá, měla by se zvyšovat i rychlostní výhoda počítače.
Ale práce s kvantovými bity se nedaří. V D-Wave se rozhodli, že problém je moc složitý a dnes vyřešit nejde. Snaha o vytvoření univerzálního kvantového počítače je nejhorší věc, která se kvantovým počítačům kdy stala, říká firma dlouhodobě. Místo toho se inženýři rozhodli postavit počítač specializovaný, který se hodí jen k řešení jednoho druhu problémů.
Jádro počítače D-Wave je tento "krápník" osázený elektronikou v prostoru chlazeném na teplotu blízkou absolutní nule.
Jde o složité problémy optimalizace, třeba hledání nejkratší trasy mezi několika místy, což je pro běžné počítače úloha poměrně složitá. Metoda je matematicky o hodně složitější (využívá tzv. adiabatický teorém) a může se uplatit třeba při vyhledávání textu v databázi, ale stejně tak hledání podoby možných léků, analýzu DNA nebo také šifrování.
Je to ono, není to ono?
V praxi zatím počítač doprovází řada nejasnosti. Skeptici firmu od začátku podezírali, že na jejím počítači nic kvantového není. A to zcela pochopitelně. D-Wave nabízí "černou skříňku" (počítač tak doslova vypadá), ze které padají výsledky. I když firma má vysvětlení, jak počítač k výsledkům dochází, nejde se o pravdivosti těchto slov přesvědčit nijak jednoduše. Počítač sice používá nestandardní hardware, ale v podstatě by klidně mohl fungovat klasicky, říkají jiní odborníci. A tak chtěli podrobnější důkazy, nejlépe podrobné publikace s popisem chování počítače a výsledky měření.
Jak naprogramovat cesťákaJeden z problémů, v jejichž řešení by měl D-Wave vynikat, je tzv. problém obchodního cestujícího. Zadání je prosté: po jaké trase může obchodní cestující svůj "rajón" projet nejefektivněji? Nejjednodušší je projít všechny možné trasy a najít nejkratší. Pokud jde o pár štací, jde to. V případě většího počtu zastávek počítačům rychle dochází hrubá výpočetní síla, protože počet kombinací rychle roste. V praxi se tak tyto úlohy řeší často "přibližně", tedy probere se jen část řešení. Díky tomu ho počítače dokážou vyřešit v rozumném čase. Jak vypadá řešení tohoto problému s počítačem D-Wave, se můžete přesvědčit v návodu od výrobce. |
D-Wave se pokusila rozptýlit pochybnosti v roce 2011, kdy publikovala práci ve slavném časopise Nature (abstrakt je zde) s měřeními, která vysvětluje jako důsledek kvantového chování počítače. Některé odpůrce práce přesvědčila. Podle jiných jen dokazuje, že v počítači probíhají kvantové jevy, ale nedokázala, že je počítač využívá při práci. A podle některých ani to ne.
Postupně počítače dostali do rukou i nezávislí odborníci. Značné publicity se dostalo práci Catherine McGeochové z Amherst College v Massachusetts (mimo jiné fanynky Boston Bruins a autorky hokejových haiku). Podle ní počítač firmy D-Wave jeden předložený optimalizační problém vyřešil během zhruba 30 sekund, zatímco soupeři řešení trvalo kolem půl hodiny. V dalších disciplínách se rozdíl do značné míry vyrovnal (její článek je bez placení nedostupný).
Proti sobě však stály nepodobné stroje: univerzální a specializovaný. Není jisté, jestli by D-Wave nevyhrál díky své architektuře i bez pomoci kvantových jevů, myslí si na svém blogu třeba informatik Scott Aaronson.
Na druhou stranu, kvantovou povahu počítače se zdá podporovat jiná letošní vědecká práce. Matthias Troyer s kolegy v ní porovnávali D-Wave s "napodobeninou" kvantového počítače (algoritmem simulujícím chod kvantového výpočtu). Výsledky simulátoru a "originálu" se v mnohém podobaly a zároveň se oba lišily od průběhu výpočtu klasického počítače ve stejné úloze. Troyer s kolegy se tak domnívají, že počítač skutečně může pracovat kvantově, i když přesně nikdo neví jak. Zároveň však říkají, že by postavili stejně rychlý, nebo rychlejší systém na klasických počítačích za zlomek ceny.
Polemika tím neskončila. Na práci odpověděla práce jiných autorů, která nabízela "nekvantové" vysvětlení pozorování. Troyer a spol. odpověděli protikomentářem a kdo ví, jestli tím vše skončí.
Ale vždyť se to prodává!
Léky a kvantaPokud stroj naplní očekávání kupců, mohou následovat i další. Možná by mohl zaujmout farmaceutické firmy, protože by se mohl hodit k hledání nejvhodnější podoby zajímavých sloučenin. Pro ty může určovat, jak vypadají v reálu složité molekuly, od kterých známe jen jejich chemický vzorec. Na skutečném tvaru molekul pak totiž závisí jejich účinek v těle, například na které buňky se navážou, či ne. Umí to i běžné počítače, ale nejsou zrovna výkonné. Počítač D-Wave by to měl zvládnout mnohem lépe (pokud máme věřit slibům výrobce). Zatím nejsou jeho výsledky nijak oslnivé (tady je doklad), ale potenciál podle všeho má. |
Nejde však jen o odborné publikace. Počítače D-Wave se také prodávají. Jako první skočila do neznáma v roce 2011 firma Lockheed-Martin, která koupila tehdy ještě 128qubitový (qubit je "kvantový bit") počítač D-Wave za 10 milionů dolarů. Letos navíc rozhodla o dokoupení 512qubitové verze.
Letos v květnu se přidala i agentura NASA, která by 512qubitovou verzi počítače za 15 milionů dolarů chtěla nainstalovat v Amesově výzkumném středisku v Kalifornii. Na nákupu se bude podílet i Google, který chce počítač využít při studiu možností tvorby umělé inteligence. Pětina výpočetního času by pak měla připadnout vědcům z amerických univerzit.
Do firmy D-Wave nedávno také investovali zakladatel Amamzonu Jeff Bezos nebo tajná služba CIA. Ale co to dokazuje? NASA, Google, Lockheed-Martin i CIA jsou organizace, pro které 15 milionů dolarů mnoho neznamená. Totéž platí i pro Bezose, který třeba vyvíjí soukromou raketu. Koupí mohou získat konkurenční výhodu, určitou reklamu a rozhodně se kvůli ní nepoloží. V trochu jiné situaci je firma D-Wave, která dala za vývoj zatím kolem 100 milionů dolarů. Ale díky investicím není na nejbližší měsíce a roky v nouzi.
Na druhou stranu nelze popřít, že D-Wave skutečně funguje, a v tuto chvíli už je téměř jisté, že alespoň opravdu může pracovat kvantově. A i kdyby ne, je to tak zajímavý kus hardwaru, že by mohl být přínosný i jinak. Na jeho "kvantovost" je zatím třeba sázet jen velmi opatrně. Můžete si zariskovat, ale jen pokud máte peněz jako Google nebo nejde o vaše peníze jako u CIA a NASA.
