Tento týden přinesl novinky z různých směrů. Zajímavá je kvantová teleportace bez kvantového provázání, plány ohledně kvantových počítačů u EuroHPC a čínského Origin Quantum. Také se objevili články určující nejpopulárnější kvantový programovací jazyk či platformu a jejich podpora pro různý hardware. A spousta dalších zajímavostí!

Kvantová fyzika a informatika

Každý, kdo se pouští do kvantové informatiky, tak četl a učil se o kvantové teleportaci. Je to krásná ukázka využití kvantového provázání. Výzkumníci z Max Planck Institute of Quantum Optics zašli dál a demonstrovali kvantovou teleportaci bez kvantového provázání za použití jenom jednoho fotonu. Konkrétně teleportovali spinový stav jednoho qubitu na druhý vzdálený 60 m v jiné laboratoři. Prezentovaný protokol je vhodný pro budoucí přenos kvantové informace mezi různými typy qubitů.

Další zajímavá možnost pro realizaci qubitu by mohla využívat tzv. valleytronics. Jedná se zatím o experimentální vědu, kde se využívají lokální minima (valleys) v elektronové pásové struktuře. Kromě různých vlastností, mohou tyto minima mít i pseudospin, který je daný elektronem, který se „usadil“ v daném minimu. A jako takový by mohl fungovat jako qubit. Vědci z Indian Institute of Technology a Max-Born Institut k tomu požili grafen, který je známý svou hexa strukturou. Tento potenciální qubit by měl výhodu malé velikosti a fungování při pokojové teplotě.

Kvantové počítače

Čínský Origin Quantum vydal svoji roadmapu do roku 2025, kdy plánuje dosáhnout 1024 qubitů. Plánují, že takto velký kvantový procesor by už měl jít využít pro komerční problémy. Na cestě k tomuto cíli jsou následující milníky, 64 qubitů na konci 2021 a 144 qubitů v roce 2022.

Na QCR připravili úžasnou tabulku, která ukazuje kompatibilitu mezi různým kvantovým hardware a softwarovými frameworky. A co z toho můžeme vyčíst? Nejuniverzálnější softwarový framework je Pennylane od Xanadu a naopak nejčastěji podporovaný hardware je ten ro IonQ a Rigetti.

Podívejme se na další průzkum trhu kvantových počítačů. Globální trh kvantových počítačů měl hodnotu 320 milionů USD v 2020 a očekává se růst na 830 milionů. Přístup přes cloud je 3x častější než přímo. Nejvíce publikací z 2016-2020 mají: Čínská akademie věd, USTC, CNRS, MIT, University of Maryland and Delft University of Technology.

Vědci z University of Queensland přišli s vylepšeným způsobem výroby supravodivých kvantových čipů. Supravodivý qubit trpí interakcí s prostředím, jejíž velká část pochází z nedokonalostí při výrobě čipu. Zde vědci představili způsob jak najít tyto nedokonalosti a opravit je. Implementace tohoto objevu může vést ke kvalitnějším supravodivým qubitům.

Kvantový závod mezi USA a Čínou je vždy vděčné téma na článek. O amerických pokrocích píšeme pořád. O těch čínských o trochu méně. Pěkné shrnutí, jak na tom Čína je najdete na IEEE Spectrum.

Pokud to myslíte s kvantovými počítači vážně, doporučuji si nastudovat tento článek. Ten popisuje, jak funguje kvantový počítač na supravodiví bázi do detailu ale zároveň i přístupně.

Kvantový software a algoritmy

Amazon na své platformě Braket umožňuje zapnout mód „Verbatim Compilation“, která by měla vypnout většinu optimalizací pří kompilaci. Proč to? Už několikrát jsme naopak psali, jak optimalizace je důležitá a je to i dobrý byznys. Pointa je v tom, že pokud pracujete na nějakém benchmark programu (srovnávač kvantových procesorů) nebo naopak pracujete na kódu pro korekci kvantových chyb, pak pro vás může být zcela kritické, když optimalizace prohodí qubity nebo změní kvantové brány.

Na Quantum Zeitgeist se vzali data z GitHubu a Stackoverflow a pokusili se určit nejpoužívanější/nejoblíbenější kvantový programovací jazyk/platformu. Asi nepřekvapí, že na prvním místě je Qiskit (terra a qiskit), pak je QDK od Microsoft, Q# a pátý je Cirq of Google.

To, že bude do budoucna potřeba více kvantových softwarových odborníků víme už dnes. Už dnes jsou nedostatkový. A co by měl takový člověk umět? Jaké skills by mě mít? Dle tohoto článku se jedná o schopnost: programování a znalosti kvantových specifičností; ideálně by měl znát základy AI, strojového učení nebo hlubokého strojového učení; měli by vědět, používat a přispívat do open source; měli by mít hlubší algoritmické znalosti aby dokázali rozlišit, kdy je kvantový přístup lepší a kdy ne; a umět pracovat v týmech a kolaboracích.

Quantum Computing Inc. spustil partnerský program QCI Partner Program. Cílem programu je ve spolupráci s partnery nabídnou vhodné kvantové řešení pro zákazníky partnerů za využití platformy Qatalyst of QCI.

IBM, kromě Qiskit knihovny, vyvíjí již od počátků i nízko úrovňový kvantový programovací jazyk OpenQASM, tedy něco jako analogie s klasickým assemblerem. A před pár měsíci jsme i informovali, že IBM plánuje vydat novu verzi OpenQASM3, která zvládne nově věci, jako třeba dynamické změření qubitu uprostřed kvantového obvodu. Avšak OpenQASM není jen standardem používaným v IBM ale i dalšími. Proto IBM vytvořilo řídící komisi pro další vývoj OpenQASM. V komisi, krom IBM, jsou i zástupci Microsoft, Amazon (AWS) a University of Innsbruck.

Vědci z Northwestern University přišli s novým nástrojem pro analýzu velkých supravodivých kvantových obvodů. Tohle může být významný nástroj pro budoucí vývoj velkých supravodivých qubitů. Samotnou metodu vědci demonstrovali na případu, kde extrahovali informace z kvantového obvodu, které byly nedosažitelné standardními nástroji.

Kvantové sítě a kryptografie

Mezi horkými kandidáty na kvantově odolné šifrování patří homomorfní šifrování, které kromě odolnosti proti útoku kvantového počítače mají i tu výhodu, že se zašifrovanými daty lze pracovat, aniž by se musely dešifrovat. Nevýhodou je mnohem větší procesorová náročnost. Je je třeba problém pro hluboké strojové učení v šifrovaném režimu. Ale i to se podařilo odladit týmům z Barcelonského superpočítače a z Intelu.

Crypta Labs představila kvantový generátor náhodných čísel (QRNG) pro vesmírné použití. Zařízení bylo vyvinuto ve spolupráci s dalšími britskými partnery. Toto QRNG je speciálně navržené, aby generovalo náhodná čísla i v extrémních podmínkách panujících na satelitech na nízké oběžné dráze. To například zahrnuje funkčnost v rozmezí teplot -50° až 80°C. Samotný QRNG generuje náhodná čísla rychlostí 40 Mbit/s.

Kvantové technologie

Dosud, vždy, když jsme psali, že někde natáhli optický kabel, tak v drtivě většině šlo o QKD nebo občas o distribuci kvantového provázání. Dnes ale ne. Optické vlákno, které spojí University of Birmingham a National Physical Laboratory nemá za cíl přenést kvantovou informaci, ale naopak distribuovat velmi přesný čas z atomových nebo kvantových hodin. Toto vlákno, zvané také jako tmavé vlákno a celá síť, která se skládá i ze zesilovačů bude testována za účelem zjištění stability, spolehlivosti v čase i frekvenci.

Byznys, investice, granty

EuroHPC je společný evropský podnik pro vysoce náročné výpočty (rozuměj, provozují tzv. superpočítače). Ti nyní vydali svou roadmapu a dlouhodobé plány. Pro nás to zajímavé je, že EuroQCI by na konci desetiletí mělo rádo ve svém portfoliu i kvantový počítač (včetně korekce kvantových chyb) a využívat hybridní kvantově-klasické počítání. Zatím pracují na velmi výkonném simulátoru kvantového počítače. DO roku 2024 pak již chtějí mít integrovaný NISQ kvantový počítač.

Spolupráci oznámili IonQ a konzultační společnost Accenture. Cílem spolupráce je propagace kvantových výpočtů napříč průmyslem a hlavně pro větší podniky. Konkrétně týmy z IonQ a Accenture by klientům měli pomoci objevit a experimentovat s kvantovým řešením problémů, které klienty (Accenture) trápí.

Arqit, leader v kvantové kryptografii, a Juniper Networks, leader v síťové bezpečnosti, podepsali spolupráci „Technology Alliance Partner Connect“. Cílem této spolupráce je prozkoumat, jak co nejlépe implementovat systémy pro výměnu šifrovacích klíčů v síti.

Už i Jihoafrická republika začíná budovat národní kvantovou inciativu. Nutno říci, že tentokrát to není přístup shora, kde by se ve vládě objevil někdo moudrý, jako spíše aktivita zdola vedená Wits University

Dále jsme přinesli tiskovou zprávu o ČVUT, kde se zabývají kvantovými technologiemi ve spolupráci s Armádou ČR a NATO ACT.