Reči o kvantovej nadradenosti sú podľa neho len marketing, radšej hovorí o kvantovej výhode. „Plány máme vymedzené do roku 2029,“ hovorí Alessandro Curioni, viceprezident IBM Research pre Európu a Afriku a zároveň riaditeľ najstaršieho výskumného strediska IBM mimo Spojených štátov, IBM Research v Zürichu.
Zásadné je vidieť celý kontext. Kvantové počítače a ich výskum nie je záležitosť posledných desiatich rokov, tých dekád si už prešli päť či šesť, podľa toho, kde si nastavíte tú hranicu. Odvtedy už prešiel mnohými fázami. Najskôr sa objavili teórie o teoretickej možnosti ich realizácie. Zhruba pred 10 rokmi sme začali vnímať prvú reálnu možnosť implementovať zariadenia, ktoré by mohli udržať kvantové výpočty.
Odvtedy došlo k takmer exponenciálnemu zrýchleniu toho, čo môžeme s kvantovými počítačmi robiť. Pred niekoľkými rokmi sme sa dostali do bodu, keď spoločnosti, ktoré sú v tejto oblasti na vrchole, začali presadzovať prvú industrializáciu kvantových výpočtov. Hlavná vec, ktorá sa zmenila pre IBM, je, že dnes máme veľmi jasnú road mapu do roku 2029. Ak sa od nej neodchýlime, tak v budúcom roku dosiahneme to, čo ľudia označujú ako kvantovú výhodu.
Bude to prvá skutočne rigorózna demonštrácia toho, že kvantové výpočty dokážu niečo, čo tie klasické samy osebe vedieť nikdy nebudú. A tie slová „samy osebe“ sú kľúčové, pretože v budúcnosti to nikdy nebude buď, alebo, ale obe oblasti sa budú rozvíjať paralelne a budú sa dopĺňať. Rozhodne to neznamená koniec klasických počítačov.
Plány sú dosť konkrétne. Práve v tom čase získame prvý kvantový počítač odolný proti poruchám, takže to možno označiť ako takzvaný koniec NISQ éry. Čo to znamená? Budeme mať kvantový počítač odolný voči rušeniu, ktorý bude schopný udržať dostatočnú výpočtovú kapacitu, aby umožnil to, čo nazývame univerzálnym kvantovým výpočtom.
NISQ
NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) je generácia kvantových počítačov, ktoré majú desiatky až stovky qubitov a dokážu demonštrovať sľubné výpočtové postupy, ale zároveň trpia vysokou chybovosťou a chýba im robustná korekcia chýb. Slúžia teda zatiaľ hlavne na vývoj a experimenty ako na reálny biznis.
IBM Condor pracuje s viac ako tisíc qubitmi, ale aj mnoho konkurenčných a komerčne dostupných kvantových počítačov v súčasnej dobe pracuje s kapacitou 100 až 200 jednotiek toho, čo nazývame fyzickými qubitmi. Na stovke qubitov sme dnes schopní vykonať päťtisíc kvantových operácií, než sa mágia rozpadne a systém prestane fungovať ako kvantový systém.
V roku 2029 budeme schopní vykonať na približne 200 qubitoch kvantovo odolných proti chybám zhruba 100 miliónov kvantových operácií. To je obrovský skok. Opakujem, že táto technológia teraz dozrieva a konečne sa začína realizovať jej transformačná sila. Prvý významný míľnik pokoríme v budúcom roku.
Čo je podľa vás najväčším zlomom kvantového tímu IBM v posledných rokoch?
Ťažko sa vyberá jeden. Myslím, že to je nepretržitá séria úspechov, len teraz v novembri to bolo oznámenie ďalšej evolúcie nášho kvantového procesora IBM Quantum Nighthawk, ktorý je schopný urobiť oveľa viac vecí. Tento experimentálny procesor bude v našom systéme ešte do konca tohto roka.
Paralelne sme oznámili ďalší experimentálny procesor IBM Quantum Loon, ktorý má všetky ingrediencie na kvantovú korekciu chýb. To je základný blok na dosiahnutie kvantovo odolného počítača v roku 2029.
A to sme sa zatiaľ bavili len o hardvéri. Ak sa pozriete z pohľadu softvérovej aplikácie, aj na dnešnom hardvéri a bez kvantovej výhody vieme vďaka šikovnému prepojeniu klasických a kvantových výpočtov robiť simulácie, ktoré sú užitočné pre určité odbory.
Príkladom jedného z takýchto našich partnerov, ale máme ich oveľa viac, je bankový dom HSBC. Ten v rámci svojich experimentov s kvantovými výpočtami zistil, že jednoduchým pokusom o zavedenie kvantovej fyziky do pracovného postupu bol schopný prísť s novým algoritmom, ktorý o 30 percent zvýšil úspešnosť algoritmických obchodov na dlhopisovom trhu, respektíve toho, že prebehnú tak, ako boli zamýšľané.
To ma privádza k ďalšej otázke. Ktoré hlavné odvetvia už teraz môžu zmysluplne ťažiť z kvantových výpočtov, ktoré sú dnes k dispozícii?
Nie je ich tak málo, ako by sa mohlo zdať. Väčšina z tých, ktoré to dnes aktívne robia, tak robia najmä preto, aby sa pripravili na to, kým sa transformačná fáza v roku 2029 stane realitou. A to vás možno privádza k otázke, prečo sa dnes musíme pripravovať, aj keď priamu hodnotu ešte často nie je vidieť.
Pri kvantových počítačoch však nejde o to, čo je možné dnes, pretože veľmi dobre viete, že skutočná sila kvantových výpočtov nespočíva v urýchlení škálovania, ktoré nie je exponenciálne, ale lineárne alebo polynomiálne.
Keď bude kvantový počítač schopný vyriešiť nejaký problém, od toho dňa bude mať transformačný vplyv. Nie je to ako pri klasickom výpočtovom výkone, keď si jednoducho poviete: „Dobre, počkám na ďalšiu generáciu, ktorá bude o 10 percent lepšia.“ Keď prejdete ku kvantovým výpočtom, zakaždým, keď pridáte jeden qubit do systému, zdvojnásobíte výkon. Keď príde na lámanie chleba a vy nebudete pripravený, máte doslova dni, než sa stanete beznádejne zastaraným.
A ktorých odvetví sa to primárne týka? Už tu boli spomenuté finančné služby, kde platí, že aj keď získate iba jedno, dve alebo tri percentá presnosti predikcie investičného portfólia navyše, vyradíte všetky ostatné z podnikania. Vo fyzickom svete kvantové výpočty umožňujú veľmi presné kvantovo chemické simulácie, takže budú čoraz viac ovplyvňovať odvetvia, ako sú napríklad chémia a farmácia.
Napokon, sú tu všetci, ktorí v podnikaní potrebujú riešiť problémy s veľmi zložitými optimalizáciami, logistikou a podobne. Vezmite si napríklad plánovanie letov. Dnes je napríklad najväčší problém, ktorý nemá nikto úplne vyriešený, plánovať lietadlá, priraďovať letiská a posádky v reálnom čase.
Takže klasický problém obchodného cestujúceho vyložene čakal na príchod kvantových výpočtov?
Áno, ale na ďalšej úrovni. Je to veľmi zaujímavé, pretože vieme, že v tomto probléme neznížime zložitosť z exponenciálnej na kombinatorickú a lineárnu. Tým, že ho predhodíme kvantovému počítaču, ju však môžeme výrazne znížiť. Takže stále nevyriešime problém celý, ale aspoň čiastočne.
Problém obchodného cestujúceho
Problém obchodného cestujúceho (Traveling Salesman Problem, TSP) je klasická úloha z informatiky a matematickej optimalizácie, ktorá spočíva v tom, že máte daný zoznam miest, vzdialeností medzi nimi a hľadáte najkratšiu možnú cestu, pri ktorej cestujúci navštívi každé mesto práve raz a vráti sa späť na začiatok.
Ide o zdanlivo jednoduchý problém, ktorého zložitosť prudko rastie s počtom miest, počet možných trás totiž explozívne narastá, takže je prakticky nemožné všetky jednotlivo vyskúšať.
Aké využitie kvantových výpočtov podľa vás bude najzmysluplnejšie v nasledujúcich troch alebo piatich rokoch?
Prvá oblasť, kde podľa môjho názoru uvidíme výhodu, bude v chémii a výskume materiálov. Najväčší komerčný vplyv, ktorý pravdepodobne príde až neskôr a bude oveľa väčší, sa prejaví v oblasti financií, bánk, ekonomiky.
My neradi hovoríme o nadradenosti, znie to dosť nafúkane. Radšej spomíname kvantovú výhodu. Hoci to môže vyzerať ako slovičkárenie, je to trochu iný príbeh. A potom je tu ešte o niečo menší skok, ktorý nazývame komerčný vplyv.
Pekne to dokresľuje pokus HSBC, keď aj nepriamo, len za pomoci kvantových technológií, ktoré máte k dispozícii dnes a ich prepojením s tradičnými počítačmi, môžete dosiahnuť komerčný výsledok. To znamená, že začínate prehodnocovať spôsob, akým používate kvantové počítače na riešenie problémov, pokojne aj úplne klasických, aby ste získali riešenia, ktoré sú lepšie ako predchádzajúce. Takže tu existuje komerčný vplyv.
S kvantovou výhodou je to zložitejšie, pretože sa dostávame do viac teoretickej oblasti – hovoríme o situácii, v ktorej by sme mali byť schopní urobiť niečo, čo nie je možné urobiť tradičnou cestou, ale iba kvantovými výpočtami. Musíme tu byť vedecky dôslední.
Pokúšate sa niečo urobiť a musíte sa uistiť, že to môžete dokázať. Na to, aby ste niečo dokázali, ak je to zatiaľ len teoretické, môžete to dokázať na papieri, lenže potom získate len teorému. V opačnom prípade potrebujete experimenty, musíte ich byť schopní kontrolovaným spôsobom zopakovať a umožniť každému oponentovi, aby sa ich pokúsil vyvrátiť. Zverejnili sme preto tracker kvantovej výhody a hovoríme: „Pozrite, toto sú problémy, o ktorých si myslíme, že s ich pomocou získame kvantovú výhodu.“
Ak si myslíte, že získate kvantovú výhodu, zverejnite svoje problémy a nechajte komunitu, aby vám ich vedeckým spôsobom vyvrátila. Ak sa jej to nepodarí, môžete si kvantovú výhodu nárokovať. Inak to nemá zmysel. Inak je to len bezduchý marketing, ktorý, myslím, nerobí dobrú službu ani tomu, kto sa ním zakrýva. To je náš pohľad na vec.
Ak by ste mali objektívne zhodnotiť trh a povedať, kto má dnes ku kvantovej výhode najbližšie, kto by to bol?
Myslím, že sú na trhu len tri subjekty, o ktorých možno v tomto smere vážne uvažovať. Prví sme my, teda IBM, potom je tu s odstupom Google a tretí vás možno prekvapí, pretože je to čínsky štátom sponzorovaný výskum.
Ako to vyzerá s kvantovou hrozbou pre dnes používanú kryptografiu? Už teraz vieme, že v kvantovom svete nie je v bezpečí. Napriek tomu sa tie isté kryptografické postupy stále používajú od bankovníctva cez obranu až po kryptoaktíva.
Nie je až také podstatné, kedy budete mať k dispozícii stroj, ktorý niečo také vie. Keď o tom probléme začnete premýšľať, pretože musíte, je už vlastne príliš neskoro. Zbierať dáta a potom ich čistiť môžete už teraz a potom jednoducho len čakáte. Keď príde zmena, bude okamžitá. A zrazu už bude príliš neskoro s tým niečo robiť.
Preto je potrebné vziať svoje najcitlivejšie dáta či platformu a pokúsiť sa ich chrániť už teraz, aj keď tá bezprostredná hrozba nepríde zajtra. Teraz už s istotou vieme, že raz príde. Napriek tomu, že to dáva dokonalý zmysel, len minimum organizácií sa o to zatiaľ pokúša. Je to paradox, špeciálne tu v Európe, kde máme taký super silný dôraz na súkromie.
Zhruba 50 percent vašich údajov a osobných údajov, ktoré sú zašifrované, už niekto zhromažďoval. Keď ich bude môcť dešifrovať, všetko vaše súkromie bude preč. Prečo na to teda nekladieme dostatočný dôraz?
Ako podľa vás kvantové výpočty zmenia životy bežných ľudí a čo bude väčšia komercializácia kvantových počítačov znamenať pre tie klasické?
V prvom rade to nebude buď, alebo, teda kvantové alebo klasické, vývoj sa už pred časom rozvetvil na tradičnú a kvantovú vetvu. Navyše, ako som už povedal, obe kategórie sa budú viac a viac dopĺňať. Klasické počítače za posledných 30 rokov zmenili život obyčajných ľudí. Podobne dramatické to bude s kvantovými počítačmi.
Na tie kvantové si však na rozdiel od príchodu osobného počítača alebo smartfónov spravidla nesiahnete, však?
Nebude to potrebné. Podstatné je, že dokonale odomknú veci, o ktoré sa už dlhší čas nesmelo pokúšame a zatiaľ to s nimi bolo rozpačité.
Napríklad o ére digitálnych dvojčiat sa hovorí už dlho, ale nikdy poriadne nenastala, pretože tie doterajšie zatiaľ nie sú dostatočne presné. Lenže to sa s kvantovými počítačmi zmení. To zrazu znamená, že pre nás ľudí budú k dispozícii plánovacie algoritmy, ktoré pravdepodobne budete môcť vyhodnocovať na svojom telefóne, ale čiastočne pôjdu na kvantovom počítači, ktorý bude oveľa presnejší ako dnes.
Alebo si vezmite kvantovú medicínu. Keď spojíte kvantové počítače a kvantové strojové učenie, získate niečo, čo vyzerá ako zo sci-fi filmu. Už to nie je obyčajná personalizovaná medicína, dostanete bunkovú medicínu s terapiami, ktoré vás vyliečia personalizáciou buniek. Napríklad máte nezhubný nádor, ktorý bude časom odstránený, máte 10 rôznych skupín buniek a vy postupne vyliečite každú z nich, nesústredíte sa už len na ten samotný nádor.
Alebo lepšie materiály. Ak budeme schopní lepšie simulovať prírodu, budeme jej lepšie rozumieť a budeme schopní navrhnúť lepšie lieky, materiály, riešenia. Nie je to extrapolácia, to sú všetko veci, ktoré sú realitou.
Akú úlohu dnes zohráva v rozvoji kvantových počítačov softvér?
Obrovskú. Dobrý softvér pomôže s integráciou kvantových výpočtov, pomôže s abstrakciou a uľahčí aj používanie kvantových výpočtov. Diskutoval som o tom nedávno s kolegami, ktorí mi hovorili, že jednou z hlavných vecí je snažiť sa mať v softvéri dostatočne jednoduchú abstrakčnú vrstvu, aby sa kvantové výpočty ľahko vyriešili. Súhlasím.
Zároveň však verím, že v novej ére generatívnej umelej inteligencie budeme pravdepodobne programovať počítač tak, že sa spýtame na to, čo potrebujeme bez toho, aby sme museli ďalej programovať. O zvyšok sa už postará AI. To isté sa totiž práve teraz deje vo svete klasických počítačov a tradičného programovania.
Čo je teraz pre kvantový výskum najväčšou výzvou?
Výzvy sú na všetkých úrovniach. Potrebujeme vytvoriť lepší hardvér, lepšie prepojenie, lepšiu integráciu medzi počítačmi, lepšiu softvérovú vrstvu. Najdôležitejšia je korekcia chýb, umožnenie korekcie chýb v správnom meradle. Musíme vynájsť nové skupiny algoritmov, ktoré všetky tieto veci spoja dohromady. Keď totiž budete mať takýto algoritmus, môžu začať prichádzať aplikácie, ktoré to môžu využiť.
Veľkým problémom kvantových počítačov bola spotreba energie a chladenie. Náklady jednoducho nezodpovedali tomu, čo kvantové počítače dokázali. Platí to stále?
Myslím si, že je to trochu mýtus. Áno, pri kvantovom počítači musíte čip dostať na teplotu blížiacu sa absolútnej nule, čo vyžaduje extrémne podchladenie na začiatku, ale často sa zabúda na to, že kvantové výpočty sú „non-disipatívne“. To znamená, že keď počítate, tak už raz dodanú energiu nestrácate a udržiavanie toho stavu stojí minimum. To je rozdiel oproti tradičným výpočtom, ktoré využívajú obrovské množstvo energie.
Navyše, ochladzujete len veľmi malý priestor, ktorý zostáva dlho chladný. Nehovorím, že nepotrebujete energiu, ale potrebujete oveľa, oveľa menej energie na daný problém ako na klasický problém riešený v bežnom datacentre.
Autor článku je Karel Wolf, Forbes.cz
