Vážení čtenáři z mladších řad. Pokud máte (nebo vaši kamarádi) zájem se již na střední škole/gymnáziu pustit do světa kvantových počítačů, tak vám přinášíme širší téma právě o kvantových počítačů, kde si každý může vybrat to, co mu bude sedět právě nejlépe.

Zájemci mohou napsat email přímo Dr. Michal Křelinovi na michal.krelina@fjfi.cvut.cz.

Název projektu: Kvantové počítače (témata: programování, hardware, etika a ekonomie)

Vedoucí: Ing. Bc. Michal Křelina, Ph.D.

Email: michal.krelina@fjfi.cvut.cz – Neváhejte napsat s jakýmkoliv dotazem ;-) !!

Pracoviště: Katedra fyziky, FJFI ČVUT v Praze

Zaměření:  teoretické / experimentální domácí

Vaše představa o výstupu: report, přihlášení projektu do SOČ nebo AMAVET.

Požadavky na již dosažené znalosti:

  • Základy lineární algebry (matice, vektory a jejich násobení)
  • Programování v Pythonu (případně C++, C#) výhodou (ne nutností)
  • Angličtina velkou výhodou (v češtině téměř žádný materiál není)

Abstrakt

Kvantové počítače je již existující a fungující technologie, která má potenciál zásadně ovlivnit naši budoucnost. Zatím jsou kvantové počítače ještě malé a primárně výzkumnou záležitostí, a ještě chvíli potrvá, než dosáhneme opravdové kvantové výhody, kdy přesvědčivě překonáme klasické počítače na nějakém praktické aplikaci.

Na druhou stranu, současné kvantové počítače jsou už dostatečně funkční, abychom na nich začali vyvíjet aplikace, algoritmy a ověřovat koncepty nových revolučních řešení. To je navíc umocněné faktem, že jsou částečně i volně dostupné zdarma. To umožňuje pracovat na aplikacích pro kvantové počítače nejen velkým korporacím, které zde vidí budoucnost a budoucí konkurenční výhodu a mohou si dovolit zaplatit přístup k nim, ale i jednotlivým „garážovým“ zájemcům. A v neposlední řadě se jedná o velmi zajímavý multioborový směr výzkumu.

V rámci tohoto širokého tématu si studenti mohou vybrat jedno z konkrétních zaměření:

Řízení kvantových počítačů. Výzkum a vývoj kvantových počítačů je velká a zajímavá vědecká i inženýrská výzva. Nejvíce v současnosti dominantní kvantové počítače jsou na bázi supravodivých qubitů. To je technologie, která je již dobře pochopena a popsána. Navíc IBM umožňuje ovládat své kvantové procesory až na úroveň jednotlivých mikrovlnných řídících signálů. Cílem této práce je zjednodušeně pochopit a umět popsat, jak funguje qubit na supravodivé fázi, jak jej lze kontrolovat a řídit, a to celé demonstrovat na skutečném kvantovém počítači od IBM. Pokročilý student pak může na takovém systému realizovat i fyzikální experimenty, jako je např. Rabiho experiment.

Programování kvantových počítačů. Kvantový počítač s menším počtem qubitů lze simulovat i na vlastním počítači, a tak není problém se naučit programovat kvantové algoritmy a vyvíjet konkrétní software, který lze v budoucnu rozšít na více qubitů a tím z něj vytvořit praktickou aplikaci. Primárním cílem této práce je pochopit základy kvantových operací, primitivních algoritmů a umět jej vysvětlit. Pokročilý student může zkusit vytvořit praktičtější aplikaci za pomoci již existujících knihoven v oblasti optimalizace složitých problémů, kvantového strojového učení a nebo fyzikálních a chemických simulací.

Etika kvantových počítačů. Už nyní se lidé zabývají otázkami, až kvantové počítače dosáhnou úrovně, kdy budou praktický využitelné, jak mohou být kvantové počítače zneužity a využity proti nám. Podobná problematika se řeší již nyní např. u umělé inteligence. Avšak kvantové počítače umožní spočítat věci, které jsou dosud nepřemožitelné, například probourat šifrování, která dnes nemáme šanci rozšifrovat. Toto humanitárně a politicky zaměřené téma má za cíl provést rešerši toho, co potenciálně kvantové počítače mohou dokázat a jak to může být zneužité na denní bázi. Pokročilý student se pak může zaměřit na jednu oblast (např. medicína, zbraně, cyber, …) a provést studii včetně diskuse a návrhu možných řešení pro omezení negativních dopadů.

Kvantové počítače v ekonomice. Ačkoliv jsou kvantové počítače stále dominantně výzkumnou záležitostí, tak již zde existují komerční produkty a služby. Ono, pokud nějaká společnost chce mít v budoucnu výhodu na poli využití kvantových počítačů, tak vývoj musí začít již dnes. Student by primárně měl zmapovat potenciální výhody kvantových počítačů v blízké budoucnosti, které mohou mít výrazný ekonomický dopad. Pokročilý student se může zaměřit na jeden typ odvětví a provést analýzu vlivu kvantových počítačů a jejich ekonomickou výhodnost.

Studenti jsou také vítaní, pokud přijdou s vlastním tématem v oblasti kvantových počítačů.