v prvom rade upozorním na to, že tento text bude na mnohých miestach skratkovitý a bude zjednodušovať čo sa dá. Zároveň upozorním na to, že nie som expert na kvantové počítače, čiže odborníci zrejme budú mať čo pripomienkovať – a budem rád, keď to nejakou formou urobia. Berte to teda ako popularizačný text a príspevok do problematiky, ktorý vás možno zaujme.
klasický počítač vs. kvantový počítač
Začnime tým, čo si vôbec predstaviť pod kvantovým počítačom. Asi ste počuli, že klasický počítač pracuje s jednotkami a nulami, voláme ich bity. Bit je najmenšia jednotka informácie — má hodnotu nula alebo jedna. Nemôže mať žiadnu inú, ani nič medzi tým.
Jedným bitom teda viem vyjadriť dva stavy. Dvomi bitmi štyri. Tromi bitmi osem. A takto to rastie, mocninovo. Takže ak mám napr. 50-bitový register, počet stavov (možných kombinácií) je vyše 1 125 000 000 000 000 (1,125 miliónov miliárd). Proste veľa.
Predstavte si, že hľadáme správne riešenie, a že zo všetkých týchto miliónov miliárd kombinácii iba jedna predstavuje správne riešenie. Je mnoho problémov, ktoré súčasný počítač nedokáže vyriešiť inak, než tak, že bude skúšať všetky možné riešenia rýchlo za sebou. Dovtedy, kým nenájde to správne. Ak by napr. počítač vedel skúšať 3 miliardy riešení za sekundu, takúto úlohu by riešil možno až 375299 sekúnd, čiže 4,34 dní. Čím väčší bude môj register jednotiek a núl, tým viac bude možných kombinácií a tým dlhšie bude trvať výpočet.
Celá pointa toho, prečo sú dnes bežné počítače rýchle, spočíva v tom, že na väčšinu problémov, ktoré od nich chceme vyriešiť, existuje algoritmus alebo nejaká heuristika, ktorá umožňuje nájsť výsledok omnoho lepšie, než skúšaním všetkých možností.
Pri kvantových počítačoch sa často skloňuje téza, že hneď ako sa stanú realitou, kybernetická bezpečnosť bude v troskách. Dnes totiž naozaj kybernetickú bezpečnosť opierame o matematické šifry, ktoré sa nedajú prelomiť inak, než skúšaním kombinácií.
Najbežnejšie používaná šifra, na ktorej stojí veľká časť zabezpečenia v internete, sa volá RSA a bežne používame napr. 2048 bitové šifry. Ich prelomenie by bežným výkonným počítačom v súčasnosti trvalo stovky miliárd rokov, preto tieto šifry považujeme za bezpečné.
princíp fungovania kvantového počítača
Poďme teraz konečne ku kvantovým počítačom — základný a principiálny rozdiel oproti klasickým počítačom je ten, že nepracujú s bitmi, ale s kvantovými bitmi, voláme ich qubity. A kým klasický bit má buď hodnotu 0 alebo 1, qubit môže byť v tzv. superpozícii, a teda mať hodnotu 0 aj 1 súčasne.
Kvantová superpozícia je fyzikálny jav popísaný v roku 1935 Erwinom Schrödingerom. To je ten pán s tou mačkou, ktorá je v krabici naraz živá aj mŕtva do momentu, kým neotvoríme krabicu a nepozrieme sa, či teda mačka žije alebo nie.
Jav superpozície ďalej presnejšie opísal fyzik Paul Dirac, ktorý prehlásil, že ak vieme, že častica sa môže nachádzať v jednom alebo druhom stave a môže medzi nimi prechádzať, kým do nej nezasahujeme nijak z vonka, môžeme na ňu pozerať, ako by bola v oboch stavoch súčasne.
Tu nechajme fyziku fyzikou a vráťme sa ku qubitu. Pozerajme naň ako na pamäťové miesto, ktoré môže mať naraz hodnotu 0 aj 1. V kvantových počítačoch sa qubity realizujú časticou (napr. elektrónom), ktorý môže mať kladný alebo záporný spin. (opäť fyzika, jednoducho to prijmime ako fakt…) Ak si teda predstavíme, že kvantový počítač bude mať register nie 50 bitov, ale 50 qubitov a každý z nich môže byť jednotkou aj nulou zároveň, máme register qubitov, ktorý je takpovediac vo všetkých miliónoch miliardách kombinácií naraz. Ako z neho ale dostať výsledok?
Akonáhle by sme chceli prečítať stavy jednotlivých qubitov, superpozícia zaniká. Prečítame nulu alebo jednotku pre každý qubit. Čiže máme starý nudný klasický bit, ktorý poznáme z bežných počítačov a nijako sme si nepomohli.
Celá tajná mágia v tom, prečo sú kvantové počítače omnoho rýchlejšie ako klasické počítače, spočíva práve v tom, že register sa môže nachádzať vo všetkých stavoch naraz, a fyzici prišli na to, ako ho čiastočne zmerať a ako matematicky počítať možné stavy.
Inými slovami, na základe nejakých pravdepodobností vie vyskúšať násobne viac stavov registra v rovnakom čase, ako klasický počítač. Lenže aj tu je zrada — klasický počítač (keď raz príde k správnemu výsledku) vie na 100 percent, že výsledok je správny. Lenže kvantový počítač to nevie. Pre neho je každý výsledok správny s určitou mierou pravdepodobnosti. A svoj výsledok si overuje tak, že k nemu dospeje opakovane veľakrát, a ak má zakaždým opakovane pocit, že je vysoká pravdepodobnosť, že daný výsledok je správny, prehlási ho za správny.
čo dokázal Google so svojim Sycamore?
Poďme teda k tomu, prečo ste asi tu. Čo vlastne dokázal kvantový počítač od Google a čo to znamená teraz pre nás ako ľudskú civilizáciu? Pomôžem si kvantovou fyzikou — znamená to pre nás všetko a zároveň vôbec nič.
Kvantový počítač od Google s názvom Sycamore vraj vyriešil za 6 sekúnd problém, ktorý by klasický superpočítač počítal 47 rokov. Inak, tento kvantový počítač pozostával zo 70 qubitov. Akú úlohu však riešil? Riešil problém s názvom „Random Circuit Sampling“ (RCS).
RCS je problém, ktorý je absolútne šitý na mieru kvantovému počítaniu a zároveň je to problém, ktorý je pre bežné počítače neriešiteľný inak, než skúšaním miliárd kombinácií. Praktická použiteľnosť tohto výstupu je však zatiaľ v podstate nulová.
Výsledok je významným míľnikom najmä preto, že sa pri tomto overilo niekoľko ďalších možností kvantového počítania a problémov s ním spojených. Tých je totiž extrémne veľa. Tak veľa, že sa zatiaľ nemusíte obávať okamžitej technologickej revolúcie.
Praktická použiteľnosť tohto výstupu je však zatiaľ v podstate nulová.
Prvým základným problémom je už len samotný fakt, že postaviť funkčný kvantový počítač je náročné. Potrebujete ho dokonale izolovať od okolitého sveta, potrebujete v nich mať vákuum a teplotu blízku absolútnej nule, teda -273°C. Okrem toho potrebujete kvantový počítač izolovať od zemského magnetického poľa, pretože by vám ovplyvňovalo pohyb častíc, ktoré chcete udržať v onej spomínanej superpozícii. Udržanie qubitov v superpozícii je takisto náročná úloha sama o sebe.
Stavy sa vám miešajú jeden cez druhý, dochádza tam k šumu, dochádza tam k množstvu chýb a celý tento krehký systém sa vám veľmi rýchlo zosype. Ak hovorím veľmi rýchlo, myslím tým jednotky sekúnd. Už to, že superpočítač od Googlu zvládol počítať 6 sekúnd je podľa všetkého veľká vec.
nastal koniec kybernetickej bezpečnosti?
Máme ale teraz dôvod na paniku ohľadom prelomenia všetkých šifier kybernetickej bezpečnosti? Novinári a blogeri to do nadpisov určite dajú veľmi radi, ale zatiaľ môžete naozaj spávať pokojne. Kvantové počítače sú od toho ešte ďaleko.
Výskumníci z Fujitsu v Japonsku napr. vypočítali, že na prelomenie 2048-bitovej RSA šifry by bol potrebný kvantový počítač s približne 10 000 qubitmi (pripomeniem, že ten od Google ich mal 70) a výpočet by trval 104 dní. Ak by sa qubity nezosypali.
Iste, aj tieto čísla hovoria o tom, že kvantové počítače raz možno RSA šifry prelomia, ale nateraz zostáva dosť otázne, či to bude o 5 rokov, 10 rokov alebo 100 rokov. Firmy hádžu médiám optimistické scenáre, vedecká komunita je zdržanlivejšia. Iný tím výskumníkov z Číny hovorí, že bude stačiť necelých 400 qubitov, zatiaľ to ale nedokázali.
Ďalšia vec, ktorá nám dáva dôvod nepanikáriť, je fakt, že kvantové počítače menia od základu koncept, ako s počítačmi pracujeme. Vo vašich notebookoch je prítomný pomerne univerzálny procesor, na ktorý si môžete napísať program aký chcete. O kvantových počítačoch to neplatí. Už z podstaty svojej architektúry sa stavajú tak, aby vedeli riešiť jeden konkrétny problém (alebo veľmi úzku skupinu podobných problémov). A algoritmy, ktoré sa v nich používajú, sú tiež iné, ako tie v bežných počítačoch.
Nemusíte sa teda obávať toho, že by vám o päť rokov na stole pristál zázračný kvantový počítač, na ktorom pobeží všetko to, čo na bežnom PC doteraz, akurát rádovo rýchlejšie. Ďalšia vec, na ktorej to zatiaľ stojí a padá, je ľudské poznanie a schopnosti. Kým na svete sú dnes milióny vývojárov programov pre bežné počítače, expertov na kvantové počítanie by sme celosvetovo mohli spočítať v stovkách, max v tisíckach jednotlivcov. Je teda pred nami ešte mimoriadne dlhá cesta.
Ak by som to mal zhrnúť celé jednou vetou, úspech kvantového počítača od Google je obrovským míľnikom pre vedu a výskum, avšak na našich každodenných životoch zatiaľ nemení vôbec nič. Tešte sa z toho, že ľudstvo napreduje a spávajte pokojne.
Autor je odborným asistentom na Fakulte informatiky a informačných technológií Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, kde v súčasnosti pôsobí ako vedúci Automotive Innovation Lab @ FIIT STU. Laboratórium je zamerané na bezdrôtovú komunikáciu najmä pre aplikácie prepojenej a automatizovanej mobility. Viac informácií o laboratóriu nájdete tu:
Zdroje:
Ak si predplatíte tlačený .týždeň na ďalší rok, pomôžete nám prežiť a robiť to, čo vieme. Vopred ďakujeme.