Kvantový počítač, ještě do nedávna oblíbený termín autorů sci-fi knih a filmů je dnes již realita, i když ještě jen v plenkách. Avšak, obvykle co je malé tak s postupem času vyroste. Otázkou je, jak si takový kvantový počítač představit, jak jej bude možné použít a k čemu. Dnešní klasické počítače jsou velice univerzální zařízení, která se používají téměř ve všech sférách lidské činnosti, kde to dává smysl a občas kde to i nedává rozumný smysl.

Teorie je slibná

Pravda je taková, že s pojmem univerzální počítač musíme být velice opatrní. Jeden pohled je čistě teoretický, kde dle teorie kvantový počítač může být stejně univerzální, jako klasický počítač, i když v mnoha ohledech velice neefektivní.

Velká většina operací, které provádí klasický počítač je deterministických, na elementární úrovni jde o sadu jednoduchých aritmetických operací, ať už jde o vykreslení grafiky, webové stránky, nebo výpočet v účetnickém programu. Avšak, jak jsme si uvedli v prvním díle, kvantový počítač vycházející z kvantové fyziky je z principu nedeterministický, tedy má statistickou interpretaci.

Představme si velice zjednodušený příklad. Chtějme po počítači spočítat něco elementárního jako je součet $1+1=2$. Zcela jednoduchá úloha pro klasický počítač, v principu jedna operace. V případě kvantového počítače je $1+1$ většinou dva. To znamená, že abychom si byli opravdu jisti, tak tento jednoduchý výpočet musíme provést několikrát a pak ze statistiky uvidíme, že výsledek je dva. Tento příklad nám ukazuje, že pro mnohé aplikace je kvantový počítač opravdu neefektivní.

Na druhou stranu, jsou zde specifické výpočetní úlohy, kde kvantový počítač může být zase mnohem efektivnější než počítač klasický. Například, mnohem rychlejší rozklad na prvočísla, který je velice složitý pro klasické počítače. Z tohoto důvoduje je na tomto principu založené RSA šifrování a tím pádem je kvantovými počítači v ohrožení. Ale více o možném použití kvantových počítačů v příštím díle.

Pro úplnost poznamenejme, že zde není úloha, kterou by mohl kvantový počítač spočítat a klasický nemohl. To lze jednoduše dedukovat z faktu, že jsme schopni kompletně simulovat kvantový počítač na klasickém počítači, jen je to velice náročné na výpočetní výkon a hlavně paměť. Rozdíl je v tom, že některé úlohy, které bychom na klasickém počítači počítaly desetitisíce až miliony let, tak na kvantovém počítači mohou být až exponenciálně rychleji.

Z výše zmíněného je proto lepší si kvantový počítač představovat jako speciální výpočetní kartu dedikovanou pro jistou třídu výpočtů, podobně jako dnes grafické karty nebo hradlová pole. Nicméně reálnější představa kvantového počítaní je založena na cloudu. Zvláště, pokud uvážíme, že současné kvantové procesory potřebují běžet v prostředí s teplotou kolem absolutní nuly, což nese značné nároky na technické vybavení i prostory.

Základ je mít kvantový procesor

Druhý pohled, kterým se budeme zabývat, je pohled z hlediska hardware. Když mluvíme o počítači, představíme si procesor, operační paměť, grafickou kartu a další příslušenství. K takovému pohledu máme v případě kvantového počítače opravdu hodně daleko. Například dosud nemáme žádnou spolehlivou kvantovou paměť, která by uložila qubity alespoň na nějakou rozumně dlouhou dobu.

I klasický procesor se skládá z výpočetních jader a vlastní cache paměti. Ale my nemáme kvantovou paměť, proto striktně vzato nemůžeme mluvit ani o kvantových procesorech. Proto, to co se populárně nazývá kvantový počítač, ve skutečnosti v přesně terminologii označujeme jako kvantový akcelerátor, kterému na jedné straně dáme vstupní hodnoty, a na druhé vrátí nějaké výsledky. Nicméně pro jednoduchost i v našem seriálu budeme používat termín kvantový počítač, ale čtenář by výše zmíněnou terminologii měl mít s tím spojenou.

Další rozdíl oproti klasickým počítačům je ve fyzikálním principu. Všechny klasické počítače a jejich bity jsou na elementární úrovni reprezentovány pomocí polovodičového tranzistoru. V případě kvantových procesorů tu není žádný jeden zcela dominantní fyzikální princip, jak reprezentovat kvantový bit

V současnosti velké společnosti, start up firmy a univerzitní týmy se zabývají několika návrhy na kvantové procesory, které používají různé kvantově fyzikální principy, kde každý má své výhody a nevýhody. Obecně lze však říci, že ve všech návrzích je qubit extrémně křehký a i malá interakce s prostředím jej může znehodnotit (tzv. dekoherence). To znamená, že je velmi obtížné takový qubit udržet neporušený dlouhou dobu. Rovněž kvantové operace s kvantovými bity jsou oproti těm klasickým dost poruchové.

Obecným cílem je vytvořit kvalitní kvantový bit s dlouhou životností. V současnosti a i v nejbližší budoucnosti spotřebujeme mnoho našich pracně vytvořených fyzických qubitů na korekci chyb pocházející z jejich vlastní nedokonalosti. To je jistá daň za jejich unikátní vlastnosti.