Malý krok pro lidstvo, kvantový skok pro cloud
Nejsme daleko od momentu, kdy vládu nad IT světem převezmou kvantové počítače. Už dnes je v experimentálním provozu několik takových „superpočítačů“ a Googlu se v roce 2019 podařilo čipem s výkonem 54 qubitů dosáhnout kvantové nadvlády nad klasickou konkurencí. Jaké možnosti tato technologie lidstvu otevře a proč je podle odborníků konec tranzistorových mikroprocesorů jen otázkou času?
Jednou z nejzmiňovanějších pouček v IT je Moorův zákon, podle kterého dochází ke zdvojnásobení počtu tranzistorů, jež lze umístit v počítačovém obvodu při stejné ceně, každých 18 měsíců. Současná technologie čipů tvořených jednotlivými tranzistory nabývajících hodnot 1 nebo 0 a leptanými spoji v křemíkové destičce ovšem narazila na hranice možné miniaturizace. Další zvyšování výkonu brzy nebude jednoduše proveditelné. Pokrok oproti roku 1965, kdy Moorův zákon zazněl poprvé, již zpomalil a ke zdvojnásobení dochází každých 24 měsíců.
Další zmenšování komponent současnou technologií by vyžadovalo nepředstavitelně jemné procesy při výrobě a provádění úkonů, jako je pájení na ploše hustě poseté tranzistory. Zvyšování výkonu by tak doprovázelo zvětšování plochy křemíkových destiček, což s sebou nese vyšší riziko defektů znehodnocujících celý čip. Navíc by to nemuselo být rentabilní a velmi pravděpodobně by tím vznikaly extrémní nároky na chlazení. Už příští rok nás čeká příchod 3nm technologie výroby mikroprocesorů, ale případná další zmenšování by již narážela na atomární limity.
Technologičtí lídři již vědí, že pro určité výpočetní operace současné technologie nestačí. Svět tak očekává přechod na subatomární úroveň a upíná oči ke kvantovým počítačům. IBM letos uvádí do komerčního provozu clevelandské kliniky první takový stroj, Google chce do roku 2029 spustit svůj kvantový počítač, který vyvíjí jeho Quantum AI Campus, a během příštích deseti let na tuto technologii plánuje poskytnout rozpočet v řádu miliard dolarů.
„Díky kvantovému počítači dokážeme přesně simulovat chování molekul, takže nové chemické procesy a materiály budeme moci testovat a vynalézat mnohem dříve, než začneme investovat do nákladných reálných prototypů,“ uvedl očekávání vědecké obce vedoucí inženýr Erik Lucero pracující v Quantum AI Campus. Už v roce 2019 se přitom kvantovým počítačem o výkonu 54 qubitů podařilo vyřešit úlohu, kterou by dnešní počítače nezvládly, a potvrdit tak kvantovou nadvládu.
Za 3 minuty a 20 sekund superpočítač Googlu vyřešil umělou matematickou úlohu, což by nejrychlejšímu klasickému počítači trvalo deset tisíc let. Ačkoliv společnost IBM výsledky tohoto testu obratem zpochybnila, jde o příkladnou ilustraci skoku, který nám tato technologie nabízí. Dalším cílem v pokroku je dosáhnout výkonu 1 000 qubitů. Ten už nabídne zajímavé možnosti přímo pro praktické aplikace.
Jak funguje kvantový počítač?
V podcastu On Cloud o budoucnosti cloudu Mike Bechtel z Deloitte zmínil, že slova z mezititulku jsou nejčastějším dotazem laické veřejnosti, když o této technologii slyší poprvé. Většina odborníků se na tuto otázku pokouší odpovědět vysvětlením komplexnosti kvantové technologie skrze zjednodušující populárně-naučné metafory, které jsou podle Bechtela ve finále spíše zavádějící.
„Nelze zpochybňovat potenciál kvantových počítačů jen proto, že mu člověk nedokáže přesně porozumět. Málokdo rozumí fungování současných procesorů, ale to nikomu nebrání v jejich používání. Mnohem raději tedy lidem kvantové počítače představuji nastíněním oblastí, kde tato technologie přinese nové možnosti,“ vysvětlil Mike Bechtel hned na začátku rozhovoru o tom, proč budoucnost cloudu bude doprovázet doslova kvantový skok.
Základ této technologie nemá analogii v hmatatelném světě a lidský mozek si nedokáže mechanismus subatomárních výpočtů dost dobře představit, jelikož probíhá naráz a dochází při něm k řadě paradoxů a zvláštností, které pochopení dále komplikují. Pro zjednodušení stačí vědět, že na rozdíl od tradičních počítačů, jež zpracovávají bity informací s binárními hodnotami 1 a 0, kvantové procesory umí operovat s bity, které mohou být 1 a 0 současně. Tyto kvantové bity, již zmíněné qubits, mohou provádět výpočty mnohem efektivněji.
K čemu se hodí kvantové procesory?
Kvantová technologie je naprosto přelomovým řešením pro optimalizační úlohy, jako je známá úloha obchodního cestujícího hledajícího nejkratší cestu mezi určitým počtem měst. Jejich řešení dokáže radikálně zkrátit. Tím se dostáváme zpět ke cloudu a business intelligence.
Digitalizace firem totiž generuje obrovské množství dat, které dnešní počítače přestávají zvládat. Autonomní auta, distribuce energie nebo logistika, to jsou všechno oblasti, v nichž probíhá digitalizace a kde objem dat stoupne natolik, že optimalizaci budou muset řešit už jen kvantové počítače.
Kromě rychlejšího výběru nejefektivnější varianty z nekonečných množství stavů se očekává, že nástup kvantových počítačů povede k pokroku v kryptografii, jelikož dnešní zabezpečení pomocí šifrování by kvantové počítače zvládly prolomit v extrémně krátkém čase.
Očekávání dalších vědců se upínají zase k simulacím chování atomů a molekul, které by jim umožnily vyvíjet nové materiály rychleji a levněji. Pravdou ale je, že plný potenciál této technologie ještě neznáme. Bude trvat několik desítek let, než její možnosti důkladně otestujeme a najdeme pro ně využití v praxi.
Kdy to bez quantum computingu nepůjde?
Provoz kvantových počítačů je zatím velmi náročný. Vyžaduje dokonalé vakuum a teplotu -273 °C, takže jejich výstavba je drahá a pro masové komerční využití zatím nevhodná. Výpočty kvantových počítačů je nutné zároveň důkladně kontrolovat, jelikož oproti tranzistorovým čipům může docházet k chybám znehodnocujícím celé výpočty. Kvantová technologie navíc nedokáže data dlouho uchovávat nebo je kopírovat, proto nikdy nejspíš počítače kompletně nenahradí, pouze nabídne vysoce specializovaný výpočetní výkon.
Za tímto cílem směřuje takřka celý svět. Německo v létě 2021 s velkou slávou spustilo ve spolupráci s americkou společností IBM první kvantový počítač v Evropě, jenž poskytuje výkon 27 qubitů a je určen pro vědecké experimentování s kvantovou technologií. Do této oblasti ve světě investují nejvíce peněz Spojené státy a Čína, které usilují o nástup kvantových počítačů do běžného provozu už kolem roku 2025.
Ačkoliv jsme zatím ještě na začátku kvantové cesty, technologické společnosti, které pomocí cloudu akcelerují inovace, by určitě měly pokroky v oblasti quantum computing bedlivě sledovat. A být připravené v následujících letech na tento trend naskočit.
