Vědci postavili další funkční kvantový počítač. Má pět atomů, po použití „vybuchne“
Odborníci na kvantové počítače prolomili další bariéru na cestě k praktickým kvantovým počítačům. Tým vědců z univerzity v rakouském Innsbrucku a z americké MIT dokázal postavit funkční kvantový počítač, který jako vůbec první na světě dokáže škálovat slavný Shorův algoritmus pro kvantové počítače. Jejich výtvor je tvořen pouhými pěti atomy a po jedné vykonané operaci je nepoužitelný. Podle vědců jej ale lze snadno škálovat – tvorba většího kvantového počítače podle nich tak už není problém krocení fyziky, ale jen dostatečného rozpočtu.
- 11. 04. 2016
- 4 min čtení
Výtvor týmu vědců se dokázal poprat s jedním z nejtěžších výpočetních problémů – faktorizací mnohaciferných čísel. Rozklad čísel na prvočíselné činitele je pro malá čísla jednoduchý (například číslo 21 snadno rozdělíme na sedm krát tři), ale s rostoucí délkou rozkládaného čísla se stává těžším jak pro lidi, tak pro počítače.
Faktorizace pomocí klasické výpočetní techniky je neskutečně obtížný úkol. Nejlepší algoritmy dosahují pouze exponenciální náročnosti – s rostoucím počtem cifer v čísle exponenciálně roste potřebný čas na nalezení správných faktorů. Pro představu – experti na konci roku 2009 dokončili faktorizaci čísla s 232 ciframi (a 768 bity) pomocí stovek klasických počítačů. Jejich snaha jim zabrala dva roky. Kdyby se pokoušeli o faktorizaci jen o několik desítek cifer delšího čísla s 1024 bity, měli by úkol ještě zhruba tisíckrát těžší.
Kvantové počítače přinášejí zcela nový pohled na věc
Existuje ale mnohem efektivnější postup. Je jím konkrétně algoritmus představený v roce 1994 profesorem z MIT Peterem Shorem. Má jen jeden háček.
Pro své použití potřebuje funkční kvantový počítač.
Efektivní faktorizace velkých celých čísel dosahuje jedině díky speciálním vlastnostem kvantových počítačů.
A právě tento algoritmus se nyní povedlo vůbec poprvé předvést a v praxi použít zmiňovanému týmu vědců z Innsbrucku a Massachusetts a jejich počítači postaveném na 7 qubitech a 4 „cachovacích“ qubitech.
Jak fungují kvantové počítače?
Kvantové počítače využívají pro svou funkci takzvaných qubitů. To jsou jednotky kvantové informace jen velmi vzdáleně podobné klasickému výpočetnímu bitu. Rozdílů od obyčejného bitu nalezneme u qubitu mnoho, klíčovou odlišností je pak stav, ve kterém se může qubit nacházet. Zatímco klasický bit může být ve stavu 0 nebo ve stavu 1 – a podobá se tak třeba spínači světla s polohou zapnuto a vypnuto – qubit toho dokáže více. Kromě stavů 0 a 1 dokáže být také v superpozici obou – lidově řečeno „někde mezi“. Není to ale prostý třetí stav (0,1 a 2), ale spíše úroveň pravděpodobnosti obou stavů. Právě tato vlastnost je pro fungování kvantových počítačů stěžejní – umožňuje například přirozenou paralelizaci procesů. Zároveň je také důvodem, proč mají kvantové počítače několik technických omezení – jako například nemožnost dalšího ladění kódu po prvotním zadání algoritmu.
Které složité číslo tedy vědci podrobili faktorizaci?
Patnáct.
Hlavním přínosem jejich práce není onen výsledek, který bychom zvládli spočítat z hlavy, ale demonstrace toho, jak je možné Shorův algoritmus prakticky provést a jak je možné tento proces mnohonásobně škálovat.
Jejich výtvor má další nedostatky společné se všemi experimenty v kvantových počítačích. Do algoritmu nelze po prvotním zadání vstupovat či jej ladit a odečtení výsledku počítač de facto „zničí“, takže je potřeba ho „postavit“ znovu. Lze ale očekávat, že se postupem času vědcům podaří tyto nesnáze kvantových počítačů obejít.
Budoucnost kvantovým počítačům přeje
Přelomový počítač odborníků tvořilo fyzicky pouze pět atomů zachycených v iontové pasti, lasery přenášející informace a mnoho dalšího vybavení, například pro podchlazení celého procesu. Nejedná se tedy o jednoduchou záležitost, kterou budeme mít v nejbližší době pod pracovními stoly.
Pro výzkumné organizace se ale jedná o obrovský krok kupředu, který by se v budoucnu mohl projevit právě i na běžné IT technice. A v nejbližší budoucnosti se nejspíš dočkáme také dalšího prolamování hranic faktorizace pomocí kvantových počítačů – poslední rekord z roku 2014 drží vědci z Kjóta a Oxfordu, jejichž společný kvantový počítač dokázal faktorizovat číslo 56 153 za pomoci 4 qubitů a minimizačního algoritmu.
Jedním z dopadů kvantových počítačů na běžnou výpočetní techniku bude nutnost změny pohledu na bezpečnost. Bezpečnostní experti budou muset do budoucna promyslet zcela nové modely zabezpečení, jelikož většina současných šifrovacích technik stojí právě na časové náročnosti faktorizace. Kvantové počítače jsou v těchto procesech ale mnohem efektivnější, což by mohlo znamenat jednoduché prolamování bezpečnostních algoritmů aktéry, kteří takovou techniku budou mít k dispozici.
