Kvantová zima (quantum winter) je pojem, který se čas od času objevuje od kvantově skeptických lidí ale i těch realistických. V následujícím článku si shrneme, co to znamená a proč by mohla přijít.

Termín kvantové zimy (quantum winter) odkazuje k AI winter (můžeme volně přeložit jako zima umělé inteligence). Na strojovém učení a umělé inteligenci se již začalo pracovat v padesátých letech minulého století. Ze začátku to vypadalo hodně zajímavě, v dnesšní terminologii bychom mluvili o hype, ale zájem a trh rychle spadl pod tíhou nedostatečných výsledků. To vedlo k opadnutí zájmu o obor v šedesátých až devadesátých letech. A tohle období se označilo jako AI winter (stručně řečeno). Poté proběhly významné pokroky v metodách strojového učení a nyní je AI na vrcholu.

A v případě kvantových počítačích někteří očekávají něco podobného. Nyní žijeme v době plné vzrušení, kdy máme již fungující kvantové počítače a nové na nových typech qubitů stále přibývají až jsme se dostali do tzv. NISQ éry. Tedy éry, kdy již máme dost qubitů pro prokázání konceptů mnohých kvantových algoritmů.

Kvantové počítače budou mít mnohá využití, psali jsme například v našem kvantovém seriálu, díl 4. Ukažme si nějaký příklad. Např. pro výpočet procesu fixace dusíku by stačilo zhruba 200 qubitů, pro simulaci vysokoteplotní supravodivosti zhruba 70 qubitů a pro vyhledávání, strojové učení zhruba 100 qubitů. Ale to se jedná o perfektní qubity, které mají dlouhou dobu života (koherenční délku) a jsou téměř bezchybné. Avšak to reálné qubity nejsou, a je špíše nepravděpodobné, že takové perfektní qubity vyrobíme. Proto se vyvíjejí algoritmy pro opravu chyb.

Avšak, protože nemůžeme jednoduše kopírovat (viz kvantový seriál, díl 2.), tak na opravu jednoho qubitu potřebujeme tisíce dalších. Ve výsledku, pokud budeme chtít spočítat úlohy výše, tak se dostaneme řádově na 200 tisíc qubitů pro fixaci dusíku, 1000 tisíc qubitů pro simulaci vysokoteplotní supravodivosti a 500 tisíc pro vyhledávání a strojové učení.

A takové množství qubitů je problém. A než je budeme mít, tak by mohla nastat kvantová zima. V současnoti se o kvantové počítače nezajímá jen základní výzkum a grantové agentury, ale i trh včetně poměrně velkých investic. V případě scénáře kvantové zimy, většina investorů a potenciálních zákazníků ztratí o kvantové počítače zájem, neboť než budou reálně použitelné, tak to bude trvat ještě hodně dlouho a pěnezovody vyschnou. Zůstanou jen ty z grantové a vládní popůrné peníze. Tím se vývoj zpomalí a kvantové počítače budeme mít ještě později.

Proč je problém vyrobit větší množství qubitů?

Vlastně není až takový problém vyrobit spoustu qubitů, problém je je vyrobit tak, aby spolu všechny komunikovaly. těch problémů, které je potřeba vyřešit je spousta, některé jsou společné pro všechny návrhy qubitů, některé jen pro konkrétní typy. Nyní si projedeme pro příklad některé z problémů, které je potřeba vyřešit.

Plně funkční kvantový počítač musí umět kvantově provázat všechny qubity. To v malém počtu není problém, ale ve větším to už může být problém velký. Představme si supravodivý kvantový procesor, jako je IBM Melbourne (viz obrázek níže). Pokud např. qubit 1 a 2 jsou vedle sebe, není problém je kvantově provázat. Pokdu ale chceme kvantově provázat například 1 a 8, tak budeme muset provést několik SWAP operací, tedy prohození se sousedním qubitem až oba qubity budou vedle sebe.

V případě většího množství qubitu taková SWAP operace zabere čas, kdy často ostatní qubity musejí čekat a zvýší chybovost, protože každá jednotlivá operace přináší chybu. A chyba v našem případě je integrovaná, tzn. že se všechny chyby sčítají. Tedy více operací, více chyb.

To lze vyřešit lepším návrhem samotného čipu. To lze napříkad u chlazených iontů, ale v případě supravodivých qubitů tam moc prostoru není. Další způsob je softwarový. Když uživatel napíše svůj algoritmus, tak ten se musí zkompilovat, tzn. přepsat jej do instrukcí základních operací (například celý algoritmus lze sestavit ze dvou univerzálních hradel). A šikovný kompilátor může qubity zpřeházet takovým způsobem, aby se eliminovalo maximální množství SWAP operací.

Dalším problém je hloubka kvantových obvodů (to jest množství operací na jeden qubit). Qubit má obvykle krátkou dobu života (doha koherence), to jest, při hlubokém kvantovém obvodu může dojít k dekoherenci v průbehu a pak dostaneme nesprávný výsledek. Nehledě na to, že dostaneme i velkou chybu kvůli nasčítaní chyb za jednotlivé operace. Toto lze vyřešit buď nějakým revolučním qubitem, který bude mít dlouhou a stabilní dobu života.

Druhou variantou je zavedení logických qubitů. Logický qubit je ten qubit, který použijeme v našem algoritmu. Avšak sám se zkládá z mnoha fyzických qubitů na kvantovém procesoru. Představa je taková, že větší množství navzájem se opravujících qubitů dá dohromady jeden logický qubit. Problém je, že se současnými qubity budeme potřebovat na jeden logický qubit deseti až statisíce fyzických qubitů.

Dalším problémem je ovládání jednotlivých qubitů. Například každý supravodivý qubit potřebuje výstup pro měžení qubitu a vstup pro jeho ovládání. Při představě tisíce qubitů to je tisíce kabelů, které se navíc musí zavést do kryokomory (supravodivý qubity pracují při teplotách blízkých absolutní nule). Dnes naštěstí lze počet kabelů snížit. Například lze ovládat více qubitů jedním kabelem a frakvenční modulací signálu tak, že jednotlivé qubity ovldádá signál na jiné frekvence. Ale i tak jde o významný problém hlavně ve spojení s chlazením.

Závěr

Jak jsme si ukázali, překážek k vytvoření perfekního kvantového procesoru je ještě celá řada. Už nyní známe pro mnohé z problému řešení se současnými znalostmi. Ve posjení s pokroky ve výzkumu, kde se téměř na týdenní bázi vyskytují manší či větší pokroky a nové přístupy si lze představit, že se takového kvantového počítače dočkáme.

Otázka je jak brzo. Nyní žijeme v obdoví hypu z toho, že máme funkční kvantový počítač, spousta firem investuje i do vlastního výzkumu vedle klasického výzkumu při univerzitách. Otázka je jestli jim to nadšení a schopnost pokračovat v investicích vydrží i přes to „nudné“ období, kdy budeme muset navýšit počty qubitů, ale stále to nebude na praktické využití.

Zatím se s trochou nadsázky mluví o kvantovém podzimu. Možná s globálním oteplováním pak skočíme přímo do kvantového jara :-)