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

Kvantové počítače

Silicon Quantum Computing (SQC) oznámilo další pokrok v oblasti spinových (kvantové tečky v křemíku) kvantových počítačů. Nyní se zaměřili na vyčítání. Právě chyby kolem vyčítání neboli měření qubitů po doběhnutí algoritmů jsou po kvantových chybách jedny z nejpodstatnějších a zvláště u typů qubitů, které ještě nejsou tak daleko jako ty supravodivé nebo z uvězněných iontů. Díky tomu se dostali na vyčítací fidelitu přes 99%. Jen poznámka, pro pořádné (praktické) počítání na kvantových počítačích potřebujeme dosáhnout fidelit přes 99.9999%. Tady jsme na hranici/za hranicí fyzikálních možností a pak to musí dotáhnout kvantově-korekční mechanismy.

Na blogu The Quantum Leap vyšel pěkný článek, popisující co to je kvantový šum, který je zdrojem kvantových chyb, jak jej překonat a jak k této problematice přistupují vybrané kvantové startupy.

Kvantové algoritmy a software

Výzkumníci z Japonského National Institute of Information and Communications Technology přišli s novým přístupem optimalizace kvantových algoritmů. Kvantové algoritmy často prezentujeme skrze moduly, jako je kvantová Fourierova transformace, orakulum, apod. Pokud však půjdeme na úroveň jednotlivých bran, tak často najdeme velmi dlouhý kód – dlouhou sérii kvantových bran. A to je problém. Aplikace relevantní pro nějaký komerční uplatnění jsou delší, než kvantové počítače zvládnou kvůli krátké koherenční době. Naštěstí je tu i prostor k optimalizacím a tedy zkrácení kvantového obvodu. Běžný přístup je zkrácení na teoreticko-matematické úrovni, pomocí strojového učení a v případě japonských vědců použili teorii optimálního řízení (algoritmus GRAPE). A výsledky jsou velmi uspokojující a pravděpodobně se z tohoto přístupu stane standardní nástroj v optimalizaci.

Výzkumníci ze startupu aQuantum dali dohromady publikaci, která poskytuje přehled a i hodnocení komponent pro kvantový softwarový vývoj, tedy vysoko i nízko úrovňové programovací jazyky, simulátory kvantových počítačů a nejrůznějších knihoven. Musím říci, že se jedná zatím asi o nejobsáhlejší přehled.

Amazon na svém blogu popsal, jak simulovat kvantový počítač s až 44 qubity. Simulace kvantových počítačů těmi klasickými je důležitou součástí – umožňuje simulovat ideální kvantový počítač bez chyb a tím pádem i rychlejší a levnější prototypování kvantových algoritmů. Nicméně jen do určité velikosti. Velká část simulátorů kvantových počítačů dostupných přes cloud má typicky limit 32 qubitů. Stav qubitu, tedy jestli je to nula, jedna nebo jejich superpozice je popsané komplexní amplitudou, tedy dvakrát (reálná a imaginární část) float typ. Pokud máme qubitů N, tak pak se nám celý kvantový stav škáluje exponenciálně jako 2×2^N. Tedy pro 40 qubitů, potřebujeme 16 384 GiB RAM, což je i za hranicí jednoho nodu v HPC centrech. V AWS se dostali až na 44 qubitů díky AWS ParellelCluster nástroji.

Pracujete v oblasti kvantových počítačů a píšete software nebo algoritmy pro ně? Unitary Fund (jeden z největších podporovatelů open source kvantového software. Poskytuje mikro granty v hodnotě až 4 000 USD pro zajímavé nápady všem) provádí velké šetření právě na téma open source kvantového software. Průzkumu se můžete zúčastnit zde.

Kvantová kryptografie a sítě

V Polsku pracují na nové kvantové síti mezi Varšavou a Poznaní o délce 380 km pro účely kvantové distribuce klíče (QKD). Jedná se o jeden krok v rámci budování celonárodní kvantové komunikační sítě. V tomto případě Poláci staví na švýcarské technologii od ID Quantique, která je v podstatě světovým lídrem. Nejen tuto linku, ale celou polskou kvantovou síť má na starosti polské National Laboratory for Photonics and Quantum Technologies. Jinak 380 km by bylo příliš dlouhý (standardní QKD má dosah 40-80 km) a proto je na trase 5 důvěryhodných opakovačů dělící síť do šesti segmentů. Celková nejvyšší rychlost kvantového klíče je 2.5 kbps s 2% kvantovou chybovostí.

Americké NIST, které má na starosti standardizaci kvantově odolných šifrování (PQC) oznámilo novou výzvu pro kvantově odolné šifrování pro digitální podpisy. V ideálním případě by neměly být založeny na principů mřížek (lattice scheme) a pokud ano, měly by být významně lepší než současné lattice schémata, která již byla vybrána pro standardizaci.

NSA vydalo memorandum o budoucím zabezpečení. To mimo jiné určuje deadline na přechod na kvantově odolné šifrování (PQC) do roku 2035. To se týká všech národních systémů v USA včetně různých dodavatelů, kteří jsou do národních sítí také připojeni. Dále NSA oznámilo tzv. Commercial National Security Algorithm Suite 2.0, balíček kryptografických algoritmů jejichž používání bude povinné a obsahuje mimo jiné i PQC algoritmy (konkrétně CRYSTAL-Kyber a CRYSTAL-Dilithium). NSA očekává, že v případě zpravodajských sítí se tento balíček začne implementovat od roku 2025 a v roce 2030 již budou aplikovány jenom pravidla a algoritmy z tohoto balíčku.

A instrukce k přechodu na PQC šifrování vydala i CISA, což je americká obdoba našeho NÚKIB.

Kvantové technologie

Obecně kvantové technologie jsou energeticky nenáročné a výkonově ekvivalentně kvantový počítač s HPC centrem by kvantový počítač měl neporovnatelně nižší spotřebu (otázka je ohledně náročnosti u kryogenického chlazení u některých typů kvantových počítačů). A najdete i několik článků, kde popisují, jak kvantové počítače pomohou klimatu. Nicméně to asi není dostatečné a proto vzniká i The Quantum Energy Initiative. Otázka je jen, jestli se bude jednat o brzdu pokroku nebo opravdu udělají něco užitečného.

Kvantový byznys, investice, granty

Už i Řecko si uvědomuje význam kvantových technologií a zakládá Institute of Quantum Computing & Quantum Technology. A u nás pořád nic.

Australský Archer Materials se domluvil s GlobalFoundries, který pro Archer bude vyrábět 12CQ kvantové čipy. 12CQ kvantový čip je velmi zajímavá technologie, kde qubit je reprezentován spinem elektronu avšak nikoliv na kvantové tečce ale na povrchu uhlíkové nanokoule. Jedna z hlavních výhod je, že takovýto kvantový čip funguje i za pokojové teploty. GlobalFoundries je obecně oblíbená volba pro výrobu kvantových čipů většího rozsahu. Další kvantové společnosti u GlobalFoundries jsou např. Xanadu, PsiQuantum nebo Equal1. Toto také ukazuje hodně široké schopnosti GlobalFoundries neboť v případě Archer jde spíše o polovodičové a nanotechnologické záležitosti, tak u Xanadu nebo PsiQuantum se jedná o fotonické obvody.