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

Kvantová fyzika

Čínským vědcům se podařil další zajímavý zásek. Podařilo se jim kvantově provázat řetězec 10 atomů v řadě a 8 atomů ve dvou dimenzionální mřížce. Zajímavé je to z toho pohledu, že se jedná o základní krok ke kvantovému počítači na bázi neutrálních atomů v optické mřížce. Asi si řeknete, že přeci kvantové počítače na bázi neutrálních atomů tu máme. Problém však je kvantově provázat více než dva neutrální atomy zároveň. Navíc jedna z hlavních výhod (ultra studených) neutrálních atomů je, že mají dlouhou dobu koherence v řádu sekund, tedy udrží kvantovou informaci déle.

Kvantové počítače

Vědci z Rakouska a USA představili nový typ kvantového fermionového procesoru. Jedná se o procesor vhodný pro simulace kde Fermiho statistika hraje důležitou roli, například v molekulách, supravodičích a třeba v částicové a jaderné fyzice. Jednoduše, Fermiho statistika říká, že fermiony se řídí tzv. Pauliho vylučovacím principem, což znamená, že žádné dva fermiony nemohou současně zaujímat stejný kvantový stav. To je třeba případ elektronů v atomech/molekulách. Takový systém samozřejmě můžeme simulovat pomocí kvantového počítače s qubity. Ale je to za cenu větších požadavků ve formě pomocných qubitů i delších kvantových obvodech. V tomto případě použili jako fermionový registr neutrální atomy, které se chovají právě jako fermiony a tím pádem přímo simulují Fermiho statistiku. Dále zde jsou fermionové brány pro jejich ovládání. Následně se sestaví specifický fermionový kvantový obvod, který realizuje konkrétní simulaci, například konkrétní molekuly. A to jsou teprve na začátku. Tohle je velmi pěkná ukázka, kolik nám toho kvantová informatika může nabídnout a není třeba se držet jen qubitů. Tady je opravdu člověk limitován hlavně svou představivostí.

D-Wave oznámil další vylepšení svých hybridních řešičů (solvers). Jedná se o specifické výpočetní programy vhodné na konkrétní formulace hlavně optimalizačních úloh. Konkrétně vylepšil svůj CQM řešič (Constrained Quantum Models – podporuje binární, diskrétní a spojité proměnné a podporuje zadávání omezení hledaných řešení) a dosáhl kvality kdy v 80% procentech z celkových 2045 testovaných problémů poskytl nejlepší řešení. Předtím to bylo kolem 71%. Nicméně je nutné dodat, že dobré výsledky jejich řešičů ještě neznamená, že je to jen díky jejich kvantovým annealerům.

Tato novinka není úplně kvantová, ale je to na půl cesty. Jeden z výzkumů na MIT se zaměřuje i na optické počítače. Tedy místo elektronů vám tam lítají fotony, ale pořád se používá principu klasických bitů. A poslední novinky ukazují, že takové optické počítače budou obzvláště vhodné pro strojové učení. Určitě jste narazili na články, jak velké množství energie se spálí na učení ChatGPT na obrovském množství dat. Zdá se, že optické počítače by mohly být až 100 násobně energeticky úspornější a to při 25 násobném zvýšení hustoty výpočtů.

Minulý týden jsem psal o novinkách u Rigetti. Jedna z věcí, co jsem zmínil je, že příští rok chtějí představit i procesor Lyra, což bude složenina z několika Ankaa-2 procesorů. Nyní Rigetti představil technologii, která právě propojí samostatné čipy. To není úplně jednoduchá záležitost. V případě supravodivých qubitů mohou kvantové operace probíhat jen na sousedních qubitech. Takže pokud soused je na vedlejším čipu, je mezi nimi mnohem větší vzdálenost která se musí překonat další elektronikou která pak obvykle zpomaluje celý výpočet. V Rigettti představili dokonce tři různé principy, jak propojit qubity z různých čipů. Navíc ukázali, že jejich řešení neznamená zpomalení a i fidelita dvouqubitových operací mezi qubity z různých čipů je na úrovni dvouqubitových operací v rámci jednoho čipu.

Zde je pěkný článek, který shrnuje celou hru na kočku a myš. Tedy případy, kdy někdo oznámil nějakou kvantovou nadvládu a za chvíli přišli další, kteří řekli, že toto zvládnou i pomocí klasického počítače a to mnohonásobně rychleji, než co tvrdí druhá strana. Obecně si myslím, že je to jen ku prospěchu věci.

Kvantový software a algoritmy

Použití Qiskit Runtime a MATLABu.

AWS Braket a Rigetti zrychlili hybridní aplikace díky parametrické kompilaci. Hybridní aplikace jako QAOA nebo VQE jsou vlastně takové velké smyčky kdy vy vlastně pošlete výpočet na kvantový procesor, ten se provede, pak ten výsledek zpracujete klasicky a iterativně pak modifikujete (měníte parametry) pro další kvantový výpočet a tak dokola. A v každém cyklu je to potřeba kvantově zkompilovat. A to je časově nejnáročnější činnost, viz obrázek níže. Rigetti na tomto pracovalo nějaký čas a nyní představilo parametrickou kompilaci, kterou rovnou podporuje i AWS Braket. Technicky za tím je myšlenka, že daná kompilace se uloží ve vhodné formě do cache a pak se mění jen určité parametry bez nutnosti nové kompilace.

Kvantová bezpečnost

Americké NIST, NSA a CISA (americká obdoba NÚKIBu) vydali dokument o tom, jak se připravit na kvantově odolné šifrování (PQC). V tomto případě jde o první dokument určený veřejnosti. Předchozí doporučení byla určena vládním agenturám a aparátu. Avšak vydaný dokument není tak konkrétní, jako ten český od NÚKIBu. Spíše se jedná o set doporučení k přípravě na přechod na PQC až budou vydány standardy.

NIST tento týden představil drafty pro první tři standardy a otevřela je pro komentáře široké veřejnosti. Jedná se o FIPS (Federal Information Processing Standards) 203, 204 a 205. FIPS 203 je založen na CRYSTALS-KYBER ale bude se označovat jako ML-KEM a to ve verzích ML-KEM-512, ML-KEM-768 a ML-KEM-1024. FIPS 204 odpovídá CRYSTALS-Dilithium nově označovaném jako ML-DSA a FIPS 204 je původní SPHINCS+ nyní značen jako SLH-DSA. Poslední ze čtveřice, FALCON, dostane vlastní FIPS až příští rok.