Přinášíme vám týdenní přehled ze světa kvantových počítačů, software, algoritmů, sítí, kryptografie a technologií včetně kvantového byznysu a investic.

Obrázek týdne: Obálka časopisu Nature. Kredit: Nature

Kvantovky v Čechách

Minule jsem odkazoval na rozhovor s paní ministryní, kde se mluvilo o kvantovém hubu IBM či národní kvantové strategii. Další informace pak přináší i Honza Sedlák tady.

A příběh pokračuje. 28.6.2023 se na FJFI ČVUT pořádá Quantum Day s podtitulem „Quantum Day přenáší kvantové technologie z vědeckých pracovišť do reálného využití v průmyslu. Pojďme společně objevit, kde je jejich místo.“ Uvidíme, co se z toho vyklube.

Kvantové počítače

Fonon je kvazičástice zvuku, která se v mnoha ohledech chová podobně jako foton. Populárně se popisuje jako elementární kvantum zvuku. A právě v této oblasti jsme viděli několik pokroků publikovaných v Science nebo Nature. A samozřejmě, protože se jedná o kvantový objekt, tak otázka jeho využití jako qubitu je nasnadě. Jedna z potenciálních hlavních výhod by měla být velmi dlouhá doba koherence. Někteří jej také nazývají jako mechanický qubit. Něco málo česky najdete i na osel.cz.

Platforma obsahující 36 mechanických resonátorů, kde při teplotách blízko nuly můžeme studovat fonony. Kredit: ICFO

Další zajímavou spolupráci uzavřeli Quantum Machines a QuantWare. Quantum Machines začne používat kvantové procesory od QuantWare a naopak QuantWare použije qubitový řídící systém OPX+ od Quantum Machines. Tato spolupráce by primárně měla umožnit rychlejší škálování na více qubitů. V současnosti QuantWare jako nejlepší QPU je 25-qubitový Contralto.

Zatím to stále vypadá, že kvantový počítač plně odolný kvantovým chybám je ještě stále daleko. Na druhou stranu, IBM a University of California v Nature publikovalo zajímavý přístup, kdy pro získání kvantové výhody není potřeba opravit všechny kvantové chyby, naopak. Konkrétně jde o simulaci časového vývoj 2D transverse-field Ising modelu, který je využitelný ve fyzice. A také je velmi náročný pro klasické superpočítače. Zde IBM použilo svůj procesor s 127 qubity s hloubkou 60 (tzn. až šedesát kvantových operací = bran za sebou). Takhle hluboký obvod je prakticky plný chyb a normálně nic užitečného z toho nedostanete. Avšak IBM implementovalo tzv. Zero Noise Extrapolation (ZNE), viz video níže, které chyby zmírnilo. Výsledek porovnali s klasickým řešením stejného problému na dvou různých superpočítačích. A ten kvantový měl lepší výsledky. Zde také důležitou roli sehrál fakt, že umíme zkontrolovat, že daný výsledek je správně. To není vždy pravidlem u jiných aplikacích. Tady pak rozebírají, jaké by tento důležitý objev mohl mít dopady. Na druhou stranu, než budeme otevírat šampaňské, ještě počkejme. V případě takovýchto velkých objevů je vždy vhodné chvíli počkat na možnou kritiku, která může případný hype zkrotit a uvést objev na pravou míru.

Korekce kvantových chyb pomocí Zero Noise Extrapolation. Kredit: IBM
Vizualizace kvantového obvodu, kde IBM dosáhlo kvantové výhody na současném 127-qubitovém QPU. Kredit: Nature

A velké oznámení si připravil i Intel, když oznámil svůj nový kvantový procesor Tunnel Falls s 12 qubity na bázi kvantových teček. Což je obrovský skok. Zatím jsem měli maximálně tři kvantové tečky, respektive qubity z nich. Intel zatím neposkytl jaké parametr nové QPU má. Avšak alespoň popsal výrobu, kde se využila CMOS technologie a čip byl vyroben za 300 mm waferu. Tunnel Falls má jednodušší lineární topologii, to znamená, že kvantové tečky – qubity jsou v řadě za sebou a každý je přímo spojen jen se svým sousedem nalevo nebo napravo. Avšak Intel již pracuje i na 2D topologii, která by měla být v roce 2024. Jinak cesta Intelu nejde skrze cloud, ale bude QPU poskytovat přímo jednotlivým partnerům, se kterými již nějaký čas na tom pracuje. Více si můžete přečíst i tady.

Výhoda qubitů na bázi kvantových teček je, že se jedná o velmi malé čipy. Samotná část s qubity má 50×50 nanometrů. Kredit: Intel
Tunnel Fall QPU od Intelu v socketu. Kredit: Intel

Nakonec tu máme i HRL Laboratories, která představila své kvantové čipy SLEDGE rovněž na bázi kvantových teček. SLEDGE obsahuje 6 kvantových teček, které ve výsledku reprezentují dva qubity. Tyto první procesory zamíří hlavně akademikům pro další výzkum.

Kvantový software a algoritmy

Toshiba a Izraelský Classiq uzavřeli spolupráci v oblasti kvantových počítačů. Toshiba se dosud zaměřovala na kvantovou kryptografii (QKD) a kvantově-inspirované optimalizace pomocí jejich digitálního annealeru. Nyní chtějí jít dále a začít studovat využití kvantových počítačů a to budou právě činit skrze platformu Classiq. Toshiba se chce primárně zaměřit na kvantové AI.

Kvantové sítě

Švýcarský startup Terra Quantum demonstroval kvantovou distribuci klíče (QKD) na vzdálenost 1032 km s rychlostí 34 bitů za sekundu. Tím značně překonali i nedávné oznámení z Číny (ti na 1002 km dosáhli rychlosti 0.0034 bitů za sekundu). V základu použili stejný QKD protokol, tedy Twin-Filed QKD avšak se svými proprietárními vylepšeními.

Kvantová bezpečnost

ID Quantique, SK Telecom a Samsung vydali již čtvrtou generaci telefonů Galaxy Quantum 4. Pro nově příchozí, „quantum“ v tomto smyslu znamená, že telefon je vybaven kvantovým generátorem náhodných čísel (QRNG) od ID Quantique. Nová generace přichází hlavně se softwarovým updatem pro správu šifrovacích klíčů.

Aplikace, které podporují využití QRNG. Kredit: ID Quantique

Amazon AWS začíná nasazovat hybridní kvantově odolné šifrování. Konkrétně se jedná o hybrid eliptických křivek (ECHD) a PQC algoritmu CRYSTAL-Kyber. Zatím to lze zapnout pro SFTP. Více o jejich hybridním systému tady.

Společnost Quantinuum představila nový produkt s názvem Quantum Origin Onboard. Jedná o posílení generování klíčů. Myšlenka je taková, že Quantinuum pomocí svých kvantových počítačů vygeneruje náhodné číslo, tzv. seed, který pak následně použijete do svého pseudonáhodného generátoru čísel, který už vygeneruje samotný kryptografický klíč. Motivace je v tom, že právě seed je nezranitelnější část pseudonáhodných generátorů čísel. Takže je záhodno mít tento seed co nejvíce náhodný a pak je to poměrně bezpečné, respektive nepředvídatelné.

Kvantový byznys, investice, granty

Evropská komise schválila 8.1 miliard EUR pro program IPCEI ME/CT. Jedná se o sadu důležitých projektů v oblasti čipů a komunikací, např. 5G, 6G, ale i kvantové počítače.

Spojené království oznámilo další vlnu financování kvantových projektů. 45M GBP si rozdělí 12 projektů v oblasti kvantových senzorů pro navigaci a přesného času, 11 projektů v oblasti kvantového software, 19 projektů pro studium využití kvantových počítačů a 7 projektů v oblasti přesného času a navigace, kde se použije část kvantových a část klasických senzorů, tedy hybridní řešení.

A nakonec tu mám fascinující čtení o tom, jak čínský „father of quantum“ využil Německou pohostinnost, vychoval si řadu studentů, odvezl si celou laboratoř do Číny, stále zůstal profesorem v Heidelbergu a při tom je klíčovou postavou pro využití kvantových technologií ve vojenství v Číně.