Co vlastně vede vědce k úsilí vytvořit nový typ počítače, když i ty nejlevnější klasické už dnes zvládají Starcraft bez trhání? Každý asi zná lehce zprofanovaný Mooreův zákon, který říká, že zhruba každých 18 měsíců se výkon počítačů zdvojnásobuje. Tento zákon byl zformulován již před desítkami let, a dodnes platí. Platí díky tomu, že firmy, které vyvíjejí procesory, jsou schopny čipy neuvěřitelně miniaturizovat. Dnešní špičková 0,13 mikronová technologie umožňuje propojovat tranzistory šířky 70nm. Technologie 0,11 mikronů má být na světě za několik let. Háček je v tom, že takto nelze miniaturizovat donekonečna - bohužel existuje hranice ve formě částic. Už při velikosti 0,02 mikronu začíná být problém aplikovat současné principy počítačů. Ty totiž počítají s klasickou fyzikou - přitom právě od této hranice se výpočty (na částicové úrovni) začínají řídit jinými zákony, zákony kvanové fyziky. Velké firmy se samozřejmě snaží vyvíjet efektivnější varianty stávajících čipů (např. biočipy, nebo 3D čipy s více vrstvami spojů). Přesto úvahy ukazují, že k oné nepřekonatelné hranici se dostaneme kolem roku 2020. Co potom?
Kvantová fyzika je opravdový průšvih. Narozdíl od své klasické sestřičky totiž tvrdí (extrémně zjednodušeno), že "nic není jisté". A to ani fyzikální zákony. Na částicové úrovni neexistuje objektivní realita. Vezměme si oblíbený příklad: vystřelíme elektron přesně mezi dvě štěrbiny. Existuje pravděpodobnost přesně 0,5 pro každou štěrbinu, že jí elektron projde. Člověk by řekl, že tedy buď projde jednou, nebo druhou. Jenže to je omyl! Experimenty dokazují, že (pokud ho nikdo v danou chvíli neměří!) elektron projde oběma štěrbinami najednou (zjištěno je to díky tzv. kvantové interferenci - elektron po průchodu interaguje sám se sebou!) Jedná se o takzvanou superpozici stavů, kdy částice se nachází v obou stavech najednou - je zároveň "tady" a zároveň "tam". Jo, je to trochu na hlavu, ale bohužel to fakt funguje. Tato superpozice stavů však trvá jen tak dlouho, dokud někdo (nebo něco - v tom se fyzikové rozcházejí) nezměří přesnou pozici elektronu. Kvantová rovnováha je narušena, superpozice mizí. V tuto chvíli se elektron "musí rozhodnout", ve kterém stavu se vlastně nachází - až do tohoto okamžiku to není jisté. Jak je vidět, systémy založené na klasických principech zákonitě v mikrosvěte selhávají. Je proto třeba vytvořit systém s naprosto odlišnou logikou - kvantový počítač.
Kvantový počítač ke svému provozu využívá již zmíněnou superpozici stavů. Jednotkami paměti zde místo klasických bitů jsou qubity. Rozdíl mezi nimi je diametrální. Zatímco klasické bity se nacházejí vždy v jednom z možných stavů (1 nebo 0), tak qubity se od zahájení výpočtu až do jeho konce nachází v superpozici stavů, tzn. máme-li 1 qubit, nachází se zároveň ve stavu 1 i 0. Pokud však máme už soustavu 2 qubitů, jsou zároveň ve čtyřech různých stavech: 00, 01, 10, 11. Pro tři qubity už je těchto možností osm: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Možností je evidentně vždy 2^n, kde n je počet qubitů. Je zřejmé, že relativně malý počet qubitů poskytuje ohromné výpočetní možnosti. Takový princip má svoje výhody. Ukažme si je na příkladu šachů. Když počítač generuje tah, prochází všechny možné tahy (tento princip asi ani kvantový počítač nezmění). Klasický počítač vezme prostě tah po tahu, otrocky všechny "zkusí" a ohodnotí výslednou pozici. Jenomže např. už při zahájení je do hloubky 3 tahů asi 9 000 000 možných partií. Kvantový počítač oproti tomu díky superpozici stavů zkoumá všechny možnosti najednou! Při dostatečném počtu qubitů (log[2]x, kde x je celkový počet možností) je tedy nutný počet kroků (zkoušek) roven hloubce prohledávání!
Jak však docílit superpozice stavů? V zásadě existují tři systémy:
1) Využívá se tzv. spinu částic (např. elektronů). Spin se dá zjednodušeně interpretovat jako "rotace" dané částice. Každý elektron musí mít nějaký spin - buďto kladný (kladný směr otáčení = 1), nebo záporný (kupodivu záporný směr otáčení = 0). Neexistuje elektron bez spinu. Superpozice stavů můžeme docílit tak, že elektron zasáhneme přesným množstvím záření, které (v pojmech klasické fyziky - v mikrosvětě to zřejmě takhle jednoduše nefunguje) má právě tak akorát energie na zastavení "rotace". Protože však elektron nějaký spin mít musí, existuje 50% pravděpodobnost, že spin zůstane, jak byl, a 50% že se změní. Dokud spin nezměříme (nebo nepřinutíme částici interagovat s vnějším světem tak, aby se spin projevil), trvá superpozice stavů.
2) Obdobný princip využívá i metoda excitování elektronu (nejlépe atomu vodíku). Nachází-li se elektron na nějakém nižším orbitalu, je možné ho dodáním energie přesunout na orbital vyšší. Pokud dodáme (opět za pomoci záření) přesně hraniční množství energie, je 50% šance na excitaci a 50% na "neexcitaci". Když interpretujeme excitovaný elektron jako 1 a neexcitovaný jako 0, dostáváme opět pro nás příhodnou superpozici stavů.
3) Třetí systém využívá polarizace fotonů. jeho přesný princip jsem nepochopil, takže případné zájemce tímto směruji na v závěru textu uvedené odkazy.
Asi už vám došlo, že udržení částic ve stavu superpozice je (spolu s pozdějším "přečtením" správných dat) jedním z největších problémů při realizaci kvantového počítače.
Bohužel, pravděpodobně nikdy. Nejen protože by bylo třeba jej celý přepsat (i když: myslíte si někdo, že by v principu šlo emulovat klasické PC na kvantovém počítači?), ale hlavně kvůli tomu, že (ani v budoucnu) nejspíš kvantové počítače na stole mít nebudeme. Z několika důvodů: Pro "běžného uživatele" budou naprosto zbytečné. I banky, burzy, apod. si naprosto vystačí se systémy dnešního typu. Využívání kvantového počítače bude mít význam hlavně pro vědce (kteří jej budou používat pro počítání dnes nespočitatelného a simulaci dnes nesimulovatelného) a pro armádu s tajnými službami. Navíc ani v dohledné době nebude možné vytvořit dostatečné podmínky pro udržení superpozice třeba v domácnosti - vyžaduje to dost speciální prostředí a péči.Pokud vůbec budeme mít na stole nějakou náhražku dnešního PC, tak to bude spíš jen terminál, který nás spojí s kvantovým počítačem "někde v ústředně".
Poznámka: i přesto si však už dnes lze vyzkoušet kvantovou logiku v praxi - pro PC existuje programovací jazyk QCL (Quantum Computing Language), který simuluje chování kvantového počítače na stávajícím hardware. Výsledkem je však (samozřejmě) zcela neefektivní kód.
Podle odborníků dnes největší nebezpečí spočívá v tom, že pomocí takových vyspělých systémů lze bez větších problémů řešit některé NP-úplné problémy (tj. v podstatě problémy, u kterých počet kroků při řešení stoupá vzhledem ke složitosti zadání exponenciálně). Mezi tyto problémy počítáme i faktorizaci - na jejíž nemožnosti v reálném čase stojí celé dnešní asymetrické šifrování. Pokud by toto mělo být snadno prolomitelné, znamenalo by to kolaps části společnosti a ekonomiky (životně důležité je asymetrické šifrování např. pro banky apod.). Naděje odborníků se upínají k tzv. kvantové kryptografii, která využívá fyzikálních principů pro změnu k ochraně dat - ale to už je téma pro jiný článek. V tuhle chvíli záleží na tom, jestli bude dřív zprovozněn jakožto běžná technologie kvantový počítač, nebo kvantová kryptografie. Na kvantovém počítači už bylo dokonce předvedeno několik výpočtů, zatím však operuje pouze řádově s jednotkami qubitů. Kvantová kryptografie zase zatím neumožňuje přenos dat na větší vzdálenosti. Obojí však už dnes fyzicky existuje a funguje, ale vyžaduje zatím příliš mnoho speciálních laboratorních podmínek, než aby se mohlo více rozšířit.
Čtenářům bych chtěl na závěr sdělit, že moje vědomosti v tomto oboru nejsou nijak výjimečné, takže jsem se mohl dopustit řady omylů. Jsem si vědom mnoha zjednodušení, která však v zájmu čitelnosti textu byla nutná. Pokud mě někdo v komentářích opraví, resp. upřesní moje poznámky, budu jedině rád.