Pravidelný (dvou)týdenní přínos vybraných novinek ze světa kvantových počítačů, kvantových sítí a komunikace, kvantových technologií a kvantového byznysu. Jedná se o poslendí novinky roku 2020 a tedy čekají nás ohlédnutí za rokem 2020 i pohled do budoucnosti.

Obrázek týdne: NetSquid je zatím nejpokročilejší nástroj pro modelování a simulace kvantových sítí a modulárních kvantových počítačů.

Kvantová ohlédnutí za rok 2020 a predikce pro rok 2021

Qiskit a rok 2020. Téměř 250 tisíc instalací. 92 vědeckých článků. 2500 příspěvků na GitHubu. 93 globálních událostí (školy, konference, přednáškové série,…). Nové moduly jako lepší optimalizace, chemický modul, oznámený projekt Qiskit Metal a OpenQASM3.

The Quantum Daily 5 předpovědí pro rok 2021:
■ Čína bude stále hrát divokou kartu. Nedávno oznámili kvantovou nadvládu i když zatím zcela nepraktickou. Nicméně další investice a oznámení v oblasti kvantové kryptografie lze očekávat.
■ Pojem kvantová nadvláda nebude už tím klíčovým. Klíčový bude pojem kvantová výhoda (quantum advantage), tedy bod, kdy kvantový systém vyřeší něco rychleji než klasický, a to něco bude praktické a využitelné.
■ Bude větší boj mezi byznysem a akademickou sférou o kvantovou pracovní sílu. Expertů v oblasti kvantových technologií a počítačů je nedostatek a v dohledné době se to rapidně nezlepší.
■ Uvidíme první kvantové pády. Dosud sektor jenom rostl a nové technologie se jen hrnuly. Nicméně někteří investují do technologií, které se nemusí podařit rozumně realizovat. Otázka je, jak takový pád ovlivní zbytek sektoru.
■ Větší příliv peněz. Ať ve formě grantů od státních aktérů tak i od venture investorů do soukromých kvantových firem.

Quantum Computing Report a výtažek z jejich „Quantum Outlook for 2021“:
■ Dočkáme se několika více než 100 qubitových kvantových počítačů dostupných v cloudu;
■ Kvantové počítače na bázi fotonů, iontů, spinů či chlazených atomů ukrojí větší podíl z trhu na úkor těch supravodivých;
■ Větší důraz na hybridní přístup a řešení;
■ Nabídka kvantových cloudů a jejich služeb poroste. Pravděpodobně Microsoft a Google vyjdou z beta test režimu a nabídnou plný přístup;
■ Dočkáme se průlomu v oblasti kvantových pamětí;
■ Pravděpodobně několik společností oznámí dosažení kvantové výhody (Quantum Advantage);
■ Nastanou první akvizice a to i mezi kvantově softwarovými a hardwarovými firmami;
■ Více zemí oznámí své národní kvantové plány a strategie;
■ Problém s dostupnou kvantovou pracovní silou;
■ V roce 2021 se neočekává, že by nastala kvantová zima.

4 akciové tituly jako nejlepší vsázka na kvantové počítače pro rok 2021 podle Zacks.com:
Baidu oznámilo svou cloudovou platformu Quantum Leaf, hodně se zaměřuje na AI.
Microsoft a jeho Quantum Network platforma roste jak z hlediska klientů, tak i z hlediska knihoven a funkcí. Navíc v rámci Quantum Azure spolupracuje s významnými hráči na trhu (1QBit, Honeywell, IonQ či QCI).
Tencent investuje obrovské množství peněz do nových technologií, včetně těch kvantových. Rovněž pracuje na svém vlastním kvantovém cloudu.
Alphabet dlouhodobě podporuje kvantový software skrze Cirq, OpenFermion, nebo kvantovým rozšířením TensorFlow. Navíc si nyní hraje se svým nejnovějším přírůstkem – kvantový procesor Bristlecome se 72 qubity.

ZDNet publikoval 10 nejvíce IT pozic, které budou mít největší vliv. A na prvním místě se umístila pozice „Quantum computing“ s očekávaným růstem 135%.

The Quantum Daily a jejich top 9 výukových kvantových platforem: jedná se o platformy: Quantumcomputing.com, Qureca,  Learn Quantum Computation Using Qiskit, Quantum Katas, Understanding Quantum Computers, Uncertain Systems, Quantum Computing UK, SheQ a MIT  xPRO series.

A nyní ohlédnutí za rokem 2020 za největšími úspěchy z pohledu AIM:
■ Q-score od ATOS, který má ambice nahradit Quantum Volume banchmark.
■ Největší chemická simulace. Provedli ji v Google a jednalo se dlouhý vodíkový řetězec.
■ Algoritmus, který umí charakterizovat šum v kvantových počítačích a tím pádem nám říci, na co se zaměřit.
■ Komercionalizace kvantových počítačů od D-Wave, kde nabízí vše – hardware, software, služby a nástroje.
■ Majoranovy fermiony, tedy částice, které jsou sami sobě antičásticemi, by mohli být možnou cestou pro bezchybové qubity.
■ Horse Ridge II od Intelu opět zefektivní práci supravodivých kvantových počítačů, sníží počet kabeláže, nároky na chlazení a jednodušší řízení.

Kvantové počítače

Mercedes-Benz a Google spolupracují na možnosti použití kvantových simulací pro chemické reakce s konkrétním použitím pro vývoj pokročilých baterií do aut. K tomu zatím používají kvantový procesor Sycamore. Sycamore je už potenciálně dostatečně výkonný na simulaci středních molekul. Nicméně dodejme, že hodně záleží, jak přesné simulace provádíte a jaké aproximace používáte.

To o čem se šuškalo se stalo skutečností. Amazon publikoval na arXive článek, že pracuje na vlastním kvantovém počítači. Ale, podobně jako Microsoft, se i Amazon pouští do zcela nových typů qubitů, které je potřeba ještě teprve řádně vyvinout. Navíc chce implementovat i kvantovou paměť.

Amazon chce jako qubit použít tzv. cat states, česky bychom stavy Schrodingerovy kočky. Prakticky, qubit je reprezentován soustavou desítek až stovek fotonů v supravodivé dutině. Výhoda takovýchto qubitů je, že budou rezistentní vůči některým chybám. Například, pokud vnější prostředí interaguje jen s jedním fotonem z desítek mnoha, tak to daný qubit neovlivní. Jako kvantovou paměť chtějí použít akustický nanorezonátory. V podstatě se daný qubit přetransformuje do zvuku, který následně jako stále se odrážející ozvěna rovněž v supravodivé dutině udrží kvantovou informaci dostatečně dlouho pro některé praktické účely. Spousta věcí je stále jen na papíře, a ještě navíc je propojit dohromady je výzvou, která chvíli ještě potrvá. Nicméně podobně jako Microsoft s topologickými qubity, tak i Amazon si může dovolit takový výzkum.

Další demonstrace využití kvantové optimalizace. Japonský big data startup Groovenauts a Mitsubishi Estate v roce 2019 použili kvantové optimalizace pro optimalizaci svážení odpadu z 26 kancelářských budov ve čtvrti Marunouchi v Tokiu. Tím se jim podařilo snížit počet vozidel a ujetou vzdálenost na polovinu. Nyní své zkušenosti spolu s japonskou stavební konzultační společností Nippon Koei chtějí použít opět pro svoz odpadů v Yangonu, hlavním městě Myanmaru.

Francouzská společnost CEA-Leti společně s University of Copenhagen vylepšili polovodičovou technologii pro výrobu kvantových počítačů s qubity na bázi kvantových teček. Konkrétně přišli s dvou-dimenzionálním návrhem čipu pro kvantové tečky. To obrovským způsobem zlehčí škálování počtu qubitů ale i jejich provázanost.

Obázek části čipu se 4 kvantovými tečkami v 2D struktuře.

Ode dne, kdy Čína ohlásila svou kvantovou nadvládu s tím, že jejich nadvláda je o mnoho řádů větší než ta, co oznámil Google. A je kolem toho velký humbuk. Ihned tu jsou titulky ptající se, kdo je lídrem v kvantových počítačích a kdo to vyhraje. Nicméně, podobně jako v případě Google a jejich ne zas tak velké kvantové nadvlády, i v tomto případě to není tak jednoznačné. A vypadá to, že i ten tzv. Boson Sampling lze provést mnohem efektivněji, než s čím to Číňané porovnávají.

Kvantové technologie

Výzkumníci z Stevens Institute of Technology přišli s novým, dosud nejvýkonnějším zdrojem kvantově provázaných fotonů. Navíc je zdroj velikosti čipu a 100-krát překonává dosud nejlepší zdroj kvantově provázaných fotonů. Technicky se v podstatě se jedná o mikrodutinu v nano měřítku. Tento zdroj dokáže generovat desítky milionů provázaných párů fotonů za sekundu za použití laseru o výkonu mikrowattů. Něco takového bude potřeba pro kvantové počítače, kvantové sítě nebo kvantové zobrazovací metody.

Kvantové senzory umístěné na satelitech na oběžné dráze Země mohou pomoci i v boji s klimatem. Jedná se o vlastní projekt NASA nazvaný Cold Atom Lab (CAL) a samotné zařízení bylo nainstalováno na ISS v roce 2018. Jedná se o vlnově-hmotnostní interferometr z chlazených atomů, který primárně měří gravitaci. Více na vice.com.

Baterie, například do aut, můžeme vylepšit nejen pomocí kvantových simulací na kvantových počítačích, ale i pomocí kvantových senzorů. Na University of Sussex pracují na kvantovém magnetometru, který by měl měřit mikroskopické toky proudů v bateriích. Současné měřiče měří jen to, co do baterie přiteče nebo odteče. Kvantové senzory budou moci změřit toky proudu přímo uvnitř baterie a tím pomocí zefektivnit jak jejich fungování tak případně i návrhy nových.

Kvantové technologie a jižní Amerika – o tom se moc nedočteme. Je tam pár startupů a univerzit. Jedním z takových projektů je v Ekvádoru nazývaný QSAT. Jedná se o snahu vytvořit systém malých satelitů (cubesat, vlastně jejich návrh má velikost 3U, tedy 10x10x30 cm), které by fungovaly jako důvěryhodné kvantové opakovače pro QKD síť v oblasti Buenos Aires v Argentině. V základu používají optickou komunikaci, ale mají ambice použít i radi frekvenční (RF) kanál. RF pro kvantovou komunikaci je poměrně velká výzva i dnes, zvláště, pokud chcete pracovat s RF signálem na úrovni jednotlivých fotonů stejně jako u optického spektra.

Návrh systému QSAT pro komunikace mezi dvěma body na zemi za pomocí satelitů.

Kvantové tečky se nepoužívají jen jako qubity či pro QLED televize, ale jsou použity i pro efektivnější solární články. Nyní výzkumníci z Monash University přišli s postupem, jak spočítat ideální velikost a hustotu kvantových teček pro dosažení nejvyšší efektivity solárních článků. Pointa je, aby kvantové tečky zachytili co nejvíce z oblasti viditelného a infračerveného světla. Konkrétně světlo přicházející ze slunce není stejně intenzivní pro všechny vnové délky, ale jsou zde určitá maxima na které je vhodné zaměřit právě citlivost kvantových teček hlavně pomocí jejich velikostí.

Kvantové sítě a kvantová kryptografie

5G a kvantově odolná kryptografie to bude jedno z témat roku 2021. Za účelem studia těchto dvou technologií se spojili i AT&T s Purdue University. Ukázková 5G síť, kde se vše vyzkouší a vyvinou nové technologie bude ta ve státě Indiana.

QuTech přišli s NetSquid (Network Simulator for Quantum Information using Discrete events). Je to systém, který by měl pomoci s návrhem budoucího kvantového internetu či modulárního architektury kvantových počítačů. Simulátor může modelovat všechny aspekty kvantových sítí a modulárních kvantových počítačů od fyzické vrstvy a řízení až po jednotlivé aplikace a protokoly. A to včetně simulace efektů času v kvantové síti nebo času dekoherence qubitů v modulárních kvantových počítačích. NetSquid je volný pro nekomerční použití.

Na Analytics Insight píšou, o čem jsme psali již v našem článku o kvantových generátorech náhodných čísel. Konkrétně o jejich využití pro loterie a hazardní hry.

Kvantový byznys a investice

Qblox a Pasqal byly vybrány společně s dalšími 38 startupy, které uspěly v evropských grantech EIC Accelerator. Qblox získal 4.8 milionů EUR a Pasqal 7 milionů EUR.

Americké ministerstvo energetiky poskytne granty na chemický a materiálový výzkum za použití kvantových počítačů v celkové výši 75 milionů dolarů.