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

Kvantové počítače

Dva týdny zpět jsem psal o rozepři mezi D-Wave a Q-Ctrl ohledně porovnání QAOA algoritmu na kvantovém annealeru a univerzálním kvantovém počítač. Obecně se má za to, že kvantové annealery by mohly být o fous lepší pro optimalizační úlohy jako ty používající QAOA algoritmus. Avšak Q-Ctrl ukázalo, že možná univerzální kvantové počítače mohou být kompetitivní i v této oblasti. Minulý týden lidi z D-Wave vydali preprint, kde vyvrací to, co tvrdí Q-Ctrl a hlavně tvrdí, že výpočet na univerzálním kvantovém počítači je pomalejší. No na to se diskuse opět přelila na linkedin, kde opět CEO Q-Ctrl upozornil D-Wave na to, že ve výpočty časové náročnosti mají chybu a reálná rychlost na univerzálním kvantovém počítači je ve skutečnosti 100krát rychlejší a tedy porovnatelné s annealery. Je extrémně zajímavé sledovat tuto diskusi gigantů, která je zatím docela věcná. Ale také vytváří napětí ve (kvantové) společnosti a možná i u akcionářů D-Wave.

IonQ, startup specializovaný na kvantové počítače s uvězněnými ionty, poskytl aktualizaci svého roadmapy a produktových cílů na období 2024/25. Společnost plánuje představit systém Forte Enterprise pro nasazení v datových centrech klientů a v roce 2025 spustit systém Tempo, který bude využívat baryum místo ytterbia jako qubity, což očekává, že překoná výkon simulovatelný na klasických počítačích a to na úrovni #AQ 64, tedy 64 algoritmických qubitů (jedná se o jakousi metriku říkající kolik opravdu prakticky použitelných qubitů tam je). K tomu budou potřebovat nějakých 80-100 fyzických qubitů. Pro doplnění, dnes dosahují #AQ 36, což se ještě dá simulovat na klasických počítačích. Pravda je, že qubity od IonQ patří k těm nejkvalitnějším ve smyslu velmi vysokých fidelit i koherenčního času.

Quantum Circuits skrze článek v Nature představili nový typ qubity zvaného jako Dual-Rail Qubit (DRQ). Design DRQ již v sobě integruje mechanismus pro korekci kvantových chyb. Ve výsledku tento typ qubitů vykazuje až 30x lepší odolnost na tzv. phase-flip chybu a až 1000x lepší odolnost bit-flip chyb. Navíc i fidelita pro měření a přípravu qubity má 99.99%. Technicky se stále jedná o supravodivý typ qubitu, kde však má dva rezonátory, které nesou kvantovou informaci. Jedná se tedy stále o fyzické qubity a nikoliv logické.

Kvantová nadvláda (quantum supremacy), kouzelné dvojsloví, které má dokázat, že kvantové počítače jsou už tady. V minulosti se jím ohánělo Google, IBM, číňani. Google byl asi ten nejvíce slyšet. Byl rok 2019, kdy provedli výpočet u kterého tvrdili, že by na klasickém počítači trval 10 000 let. Pár dnů na to přišlo IBM, že to na superpočítači spočítají za pár dnů. Nyní počítačoví experti z Číny postavili mašinu s 2300 Nvidia A100 grafickými čipy a provedli stejný výpočet jako Google tehdy v 2019. Výsledkem je, že stejnou úlohu na klasickém počítači spočítali nejen rychleji, ale i s menší energetickou spotřebou. A to není malé tvrzení, energetická spotřeba je poměrně velkou mantrou v oblasti kvantových počítačů. Pár čísel. Google to tehdy spočítal za 600 sekund se spotřebou 4.3 kWh. Číňani nyní za pouhých 14.22 sekund se spotřebou 2.39 kWh a v jiné konfiguraci za 17.18 sekund se spotřebou pouhých 0.29 kWh. Kvantové počítače ještě musí urazit dlouhou cestu.

Kvantový software a algoritmy

Již párkrát jsem psal o Quantum Resource Estimator od Microsoftu, tedy software, který vám pomůže odhadnout nároky na kvantový počítač pro váš konkrétní výpočet. To může být velmi klíčové například pro výběr kvantového počítače. Například optimalizační úlohy používají VQE typ algoritmů. Ty mohou používat hodně qubitů, ale jsou poměrně mělké, tedy potřebujete na ně aplikovat jen pár kvantových operací. Pak tu jsou třeba chemické simulace, kde je to opačně, tedy stačí jen málo qubitů, ale je potřeba velmi hlubokých výpočtů, kde máme miliardy a i klidně o řády více kvantových operací. V tomto článku rozebírají tento Quantum Resource Estimator do detailu. A co mě se na něm velmi líbí je, že vám nejen pomůže určit nároky na kvantový počítač, ale zkusí i odhadnout míru kvantové výhody nad těmi klasickými i pro konkrétní algoritmy.

Nová metoda symbolického model-checkingu navržená výzkumníky z JAIST (Japan Advanced Institute of Science and Technology) by mohla vést k bezchybnému kvantovému výpočtu. Tento přístup integruje zákony kvantové mechaniky a základní maticové operace (tedy sérii kvantových operací a měření na konci) do programovacího jazyka Maude, umožňující formální specifikaci a ověření kvantových obvodů. Metoda byla aplikována na několik protokolů kvantové komunikace (např. Superdense Coding, Quantum Teleportation, Quantum Secret Sharing, Entanglement Swapping, Quantum Gate Teleportation – avšak jsou poměrně malé ve smyslu počtu qubitů), což ukázalo její potenciál pro zlepšení správnosti kvantových algoritmů. Rozhodně na tomto poli je toho moc není.

Osobně jsem spíše skeptický ohledně praktického použití kvantových počítačů pro potřeby AI. Nicméně je to velké téma, i když prakticky poměrně daleko. Nicméně zde je zajímavý kousek, kde se zamýšlí, jak by kvantové počítače mohly pomoci vylepšit ChatGPT.

Kvantové sítě

Vědci z Chinese Academy of Sciences udělali další pokrok v oblasti kvantové komunikace kdy se jim podařilo do jednoho fotonu zakódovat více informací. Jejich přístup spočívá v kombinaci prostorového módu a polarizace světla pro vytvoření čtyřrozměrných quditů na speciálním čipu. Obvykle používáme jen polarizaci, která může mít jen dva nezávislé stavy a jejich superpozici. 4D qudit pak má čtyři možné stavy a včetně jejich všech možných superpozic. Ve výsledku i se stejným počtem přenesených fotonů můžeme reálně přenést více informací.

Idea pro kvantovou komunikaci je, že používáme jednotlivé fotony. To má velké množství výhod a speciálních vlastností. Avšak zdroje jednotlivých fotonů jsou problém. Nyní, když tu píšu třeba o kvantové distribuci klíče, ve většině případů používají slabý laser, jehož puls je zeslabený na úroveň jednotlivých fotonů. Jenomže ono se to řídi určitým pravděpodobnostním rozdělením a někdy v pulsu není žádný foton (velmi často), někdy dva i více. A to je problém i z bezpečnostního hlediska. Nyní zde máme pěkný test opravdového zdroje jednotlivých fotonů pro QKD. Provedli jej v Německu mezi Leibniz University of Hannover a Physikalisch-Technische Bundesanstalt, kde vzdálenost je zhruba 79 km. Kromě toho, že použití zdroje jednotlivých fotonů je bezpečnější z pohledu kvantového hackování, tak výsledky ukazují další výhody jednofotonových zdrojů jako je dobrá snášenlivost velkých ztrát fotonů.

Kvantové technologie

Jihokorejští výzkumníci z Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) vyvinuli technologii pro hromadnou výrobu laserů z kvantových teček, které jsou důležité pro datová centra a kvantové komunikace. Tato nová metoda využívá systémy Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) na substrátech z arsenidu galia (GaAs), což výrazně snižuje výrobní náklady a zvyšuje efektivitu produkce ve srovnání s tradiční metodou Molecular Beam Epitaxy (MBE).

Kvantový byznys, investice a politika

Dánský kvantový startup Kvantify získal 10 milionů EUR v rámci seed investičního kola. Kvantify pracuje na kvantovém software, např. pro chemické a farmaceutické účely.