Tento týden byl velmi zajímavý a hlavní roli hrálo IBM a jen IBM. Vody snad ještě trochu rozčeřila společnost QuEra se svým 256-qubitovým simulátorem.

Kvantová fyzika

Pro kvantový opakovač (repeater), který je potřeba pro kvantovou komunikaci na delší vzdálenosti, musíme co nejefektivněji překonvertovat kvantovou informaci z fotonu na jiný qubit, například kvantovou tečku (tedy spin elektronu). Tato konverze není moc efektivní. S vylepšením přišli vědci z Osaka University ve formě metalické nanostruktury, tedy v podstatě nanoantény, která zvyšuje efektivitu faktorem osm a numerické simulace ukazují potenciál zlepšení až faktorem 25.

Pro kvantovou komunikace je klíčové mít zdroj jednotlivých fotonů, který je rychlý a stabilní. A to je stále problematické. S jedním řešením a objevem přišli výzkumníci z Hebrew University of Jerusalem, kde ve skutečnosti používají normální laser. To by bylo ideální, laser je docela dostupný. Avšak, laser poskytuje pulsy, které obsahují několik fotonů, ne jednotlivé. Trik je v tom, že výzkumníci posvítí normálním laserem na fluorescenční krystal ve formě kvantové tečky. Ten pak vyzařuje sérii jednotlivých fotonů, které jsou následně sesbírány. Výzkumníci mají funkční prototyp, který stále vylepšují za účelem větší stability. Ale komerčního úspěchu by takovýto vynález mohl dosáhnout poměrně brzy.

Kvantové počítače

Nejdříve jsme tu měli pojem Quantum supremacy (kvantová nadvláda), pak Quantum advantage (kvantový pokrok) a nyní se mluví o Quantum utility (kvantová užitečnost). Quantum utility by mělo představovat pojem, kdy kvantový procesor překoná klasický procesor, ať už CPU, GPU či FPGA, srovnatelné velikostí a výkonem. Hmm, což takhle porovnávat systémy se stejným počtem klasických bitů a qubitů, to už pak kvantové procesory dávno překonali ty klasické… Bude lepší zůstat u pojmu Quantum advantage, který odkazuje k situaci, kdy kvantový počítač překoná ten klasický na nějakém praktickém případu.

IBM oznámilo nový kvantový procesor se 127 qubity zvaný Eagle (orel) a představil design pro IBM Quantum Two, již druhý model komerčního kvantové počítače. Zajímavé na novém procesoru Eagle je 3D struktura, skládá z několika vrstev, kde všechny qubity leží na jedné a ostatní vrstvy slouží k řízení a hlavně k vedení propojení (dosud bylo běžné mít velkou část řízení a vedení na stejné vrstvě). Eagle také používá hexagonální strukturu, o které jsme psali již dříve (procesory Falcon, 27 qubitů). IBM tvrdí, že se jedná v podstatě o finální strukturu, s kterou by vez větších problémů měli dosáhnout až 1000+ qubitů. Eagle bude pro vybrané členy IBM Quantum Network dostupný od prosince. Pokud jde o IBM Quantum System Two, tak je navržen tak, aby zvládl pracovat s procesory s 1000+ qubity. Také bude modulární a měl by být schopný chladit několik procesorů zároveň. System Two bude dodáván s procesory Osprey a dalšími. To znamená, že Eagle se bude ještě dodávat v rámci System One. Více technických detailů najdete na blogu IBM.

Kromě nového procesoru Eagle a IBM Quantum System Two, IBM na své konferenci IBM Quantum Summit mluvilo o více věcech. Dalším na řadě je procesor Osprey se 433 qubity v roce 2022. IBM také vylepšilo dobu koherence a fidelitu. V současnosti nejlepší procesory mají dobu koherence 100 mikrosekund a chybovost CNOT brány na 0.01. Nyní IBM ohlásilo dobu koherence 300-600 mikrosekund a chybovost CNOT brány 0.001. To je slušný pokrok (ale není zřejmé, jestli to platí pro Eagle). IBM také vylepšilo celkově rychlost. Proto nedávno zavedlo i její měření skrze CLOPS.

Další věc, na které IBM pracuje, je tzv. Circuit Knitting, to znamená, že se vezme velký kvantový obvod, rozseká se na menší, ty se spustí a klasický počítač to pak dá dohromady. Tím efektivně můžeme ušetřit hodně qubitů a aplikovat i jiné přístupy k redukci kvantových chyb. Ale samozřejmě to nebude fungovat pro všechny obvody a algoritmy. Další plán pro 2022 jsou tzv. dynamické obvody, jedná se v podstatě o změření qubitů uprostřed obvodu a následné pokračování jen konkrétní větve (v podstatě jako IF podmínka). Podobnou schopnost poměrně nedávno představil Honeywell. Samozřejmě onen změřený qubit půjde použít znova.

Poslední zajímavá věc je, že IBM dosud drželo kvantový a klasický cloud separátně. V roce 2022 by se měly spojit a umožnit smyslnější hybridní výpočty.

Z tzv. stealth módu se objevila společnost QuEra Computing, kde dělají výzkumníci z MIT a Harvardu a rovnou s investicemi v hodnotě 17 milionů USD. QuEra pracuje kvantovým počítači na principu neutrálních atomů na základě výzkumu právě z MIT a Harvard University. QuEra je blízko dokončení svého stroje s 256 qubity. Avšak nejedná se o plně univerzální kvantový počítač, ale kvantový simulátor (kvantový procesor dedikovaný pro konkrétní typ výpočtů). Nicméně, brzo by měli představit univerzální programovatelný kvantový procesor s 64 qubity. Navíc jejich cíl je mít univerzální procesor s 1024 qubity v roce 2024.

Kvantový software a algoritmy

Microsoft a jeho tým Azure Quantum pomohl týmu Azure Storage s optimalizacemi, které vzešli s kvantově inspirovaného algoritmu. Velká datová centra a cloudy potřebují i velká uložiště a rozumnou redundanci. A zde je obrovský prostor pro optimalizace ke snížení množství dat, která se tam musejí pohybovat. Jde o krásnou ukázku toho, že i bez vlastních kvantových počítačích už nám i něco praktického dali.

Kvantové technologie

Ve spojeném království byly podpořené dva granty z oblasti energetiky. První, HYDRI, cílí na vývoj kvantového senzoru vodíku. Vodík je bezbarvý a bez zápachu a jeho smísení se vzduchem může vést k explozi. A pokud budoucnost by z velké části měla stát na vodíku, měli bychom být schopni monitorovat jeho úniky. Druhým projektem je podmořská kvantová jednofotonová 3D kamera. Ta by měla sloužit k detailnímu průzkumu mořského dna za účelem nalezení vhodného umístění větrných elektráren (na severu se větrné elektrárny staví i na moři).

Byznys, investice, granty

CINECA, italská organizace sdružující 70 italských univerzit a 4 výzkumné instituce začala intenzivněji spolupracovat s Amazon AWS. Jedná se hlavně o projekt v oblasti superpočítačů, ale zahrnuty jsou i projekty kolem kvantových počítačů a přístup italských výzkumníků ke kvantovým počítačům skrze Amazon Braket.

Čínský startup TuringQ, který byl založen teprve v únoru zakončil investiční kolo pre-A série. TuringQ pracuje na fotonických kvantových procesorech.

Finský startup IQM zbudoval nové zařízení na výrobu kvantových procesorů a kryogeniky ve městě Espoo.

Q-Exa konsorcium vedené společností IQM bylo vybráno pro integraci konsorciem vyvíjeného kvantového počítače do superpočítačového centra Leibnitz nedaleko Mnichova.

Jižní Korea by mohla být čtvrtou zemí, kde by IBM instalovalo svůj kvantový počítač IBM Quantum One.

Francouzský kvantový startup Quandela získal investici 15 milionů USD v sérii A. Quandela pracuje na fotonickém kvantovém počítači, který by měl být dostupný přes cloud v roce 2022.

Nedávno jsem psal, že USA a UK spolu uzavřeli kvantovou dohodu o spolupráci. A nyní podobnou spolupráci podepsaly USA s Austrálií.

Společnosti Atos IQM udělali průzkum mezi 110 vedoucími pracovníky různých HPC center (high-performance computing), tedy superpočítačová centra. Výsledkem je, že do roku 2023 jich zhruba 76% chce nabídnout simulátory kvantových počítačů a 71% by rádo v roce 2026 nabídlo výpočty na kvantových počítačích umístěných v jejich centrech.