Kvantové výpočty vstupují do rozhodující fáze, která oddělí sliby od skutečných výsledků.

Závod v oblasti kvantových technologií začal v 90. letech, ale v posledních letech se z něj stal také geopolitický závod.

Prožíváme významný moment v globálním závodě o vytvoření kvantových počítačů.

Výkonný ředitel IonQ Niccolo de Masi nedávno v americkém Kongresu bez podrobností prohlásil, že „začala komerční éra kvantových výpočtů“, a zdůraznil, že tato technologie se vyvíjí dostatečně rychle, aby transformovala ekonomickou sílu, průmyslový potenciál a plánování národní bezpečnosti.

Každý týden výrobci oznamují nové milníky, které nás přibližují k dlouho očekávané kvantové převaze – okamžiku, kdy kvantové počítače překonají i ty nejvýkonnější klasické počítače, což posiluje dojem, že její příchod je nevyhnutelný. Například francouzsko-německé konsorcium Quandela a Attocube Systems GmbH představily Lucy, 12bitový kvantový fotonový počítač – nejvýkonnější ve své třídě v současnosti. Integrace se superpočítačem Joliot-Curie umožní realizovat hybridní kvantově-klasické pracovní procesy pro výzkum a průmysl.

Mezitím IBM oznámila Quantum Nighthawk, svůj dosud nejpokročilejší kvantový procesor, vyvinutý s architekturou optimalizovanou pro vysoce výkonný kvantový software a schopný zajistit kvantovou převahu v příštím roce. V Číně představila společnost CHIPX, zabývající se výrobou polovodičů, kvantový čip, který je podle jejích tvrzení 1000krát rychlejší než grafické procesory Nvidia při zpracování úkolů umělé inteligence.

Google také oznámil významný pokrok ve vývoji Quantum Echoes, nového algoritmu, který poprvé demonstruje potvrzenou kvantovou převahu v potenciálně užitečném úkolu. Při práci na 105-kubitovém čipu Willow provádí algoritmus určité výpočty přibližně 13 000krát rychleji než nejlepší dostupný klasický algoritmus. Porovnání bylo provedeno spuštěním algoritmu na jednom z nejvýkonnějších superpočítačů na světě.

Kvantové počítače v podstatě fungují jako klasické, ale mají exponenciální sílu kvantové mechaniky a jsou schopny současně zkoumat mnoho možností. Ačkoli nedávný rychlý vývoj může naznačovat opak, kvantové výpočty se začaly formovat a jejich technologické základy byly položeny v 90. letech: byl definován kvantový kubit, neboli bit, bylo prozkoumáno rozložení kvantové informace a byly vyvinuty první prototypy. Souběžně s tím byla teoreticky formulována koncepce kvantové výhody: schopnost kvantových algoritmů překonat jakýkoli klasický algoritmus o stovky nebo tisíce řádů. Právě v této době Peter Shor předvedl, jak rozložit číslo na prvočísla s exponenciální rychlostí, a Lov Grover předvedl, jak provádět vyhledávání v netříděné databázi s kvadratickou účinností.

Na přelomu století začaly první praktické demonstrace v různých aplikovaných oblastech. Mezi nimi zaujalo důležité místo modelování jednoduchých molekul, jako je vodík, v kvantových zařízeních. A v roce 2016 došlo k významné události: výzkumná společnost IBM spustila první kvantový počítač v cloudu, čímž otevřela globální přístup k této technologii. Tato událost dala podnět k rychlému růstu: počet společností vyvíjejících kvantové počítače se ztrojnásobil a mnoho zemí spustilo ambiciózní národní investiční plány. Nejvýraznější bylo oznámení Číny o rozsáhlých investicích ve výši 10 bilionů amerických dolarů do výstavby centra kvantového výzkumu, což vyvolalo geopolitickou rivalitu, která trvá dodnes.

V roce 2020 se do závodu zapojilo ještě více společností, které začaly provádět testy pro ověření koncepce, aby vyhodnotily různé možnosti použití v různých odvětvích. Tyto testy umožňují posoudit vyspělost kvantových zařízení a významný pokrok v oblasti kvantové korekce chyb (QEC), která je pro spolehlivý provoz nesmírně důležitá. Důvod je zřejmý: největší překážkou zůstává udržení kvantové koherence. Kubity, které se chovají podobně jako atomy a řídí elektronové spiny pro reprezentaci kvantových stavů, využívají vlastnosti superpozice a provázanosti. Zachování těchto vlastností při vnějších vlivech je však velmi obtížné. Z tohoto důvodu se stabilita kubitů stala jedním z hlavních předmětů výzkumu po celém světě.

V období od roku 2025 do konce tohoto desetiletí budou získány odpovědi na mnoho otázek týkajících se škálovatelnosti kvantových počítačů. V současné době nemá žádná kvantová technologie výraznou výhodu: používají se různé přístupy, jako jsou zachycené ionty, fotony, defekty diamantu, supravodivé obvody a další. Klíčovým bodem je vývoj výkonných kvantových čipů a systémů, které budou kompaktnější, snadněji ovladatelné a mnohem méně závislé na extrémní infrastruktuře, jako jsou extrémně nízké teploty nebo složité elektrické systémy, pro svůj provoz.

Zatím není jasné, kteří výrobci zařízení budou schopni dosáhnout technologického průlomu – nejnáročnějšího úkolu ve výrobě a designu –, který, jak vysvětluje nedávný nositel Nobelovy ceny John Martinis v článku pro Financial Times, určí vedoucí postavení v této oblasti. Proto Agentura pro pokročilé výzkumné projekty Ministerstva obrany USA (DARPA) nedávno vytvořila program Quantum Benchmark Initiative. Cílem tohoto programu je určit možnost vytvoření praktického, průmyslově použitelného kvantového počítače v blízké budoucnosti (do roku 2033). Program hodnotí proveditelnost koncepce kvantového počítače každé společnosti, analyzuje proveditelnost jejich plánů výzkumu a vývoje a nakonec ověřuje průmyslovou škálovatelnost. V rámci programu bylo analyzováno 18 společností, včetně start-upů a velkých výrobců, jako jsou IBM a Google, z USA, Evropy, Kanady a Austrálie. Konečným cílem je zajistit nestranné externí hodnocení plánů různých společností na vytvoření odolného kvantového počítače. To pomáhá řídit očekávání, brzdit nadšení veřejnosti a nasměrovat zainteresované strany z řad americké vlády k životaschopnému přístupu k budoucím investicím a otázkám národní bezpečnosti.

Kvantové výpočty vstupují do své vrcholné fáze, která je poznamenána změnou paradigmatu, kdy programování zahrnuje práci se zákony kvantové fyziky. To nás nutí zamyslet se nad tím, jak se připravit, jaké dovednosti si osvojit a jaké příležitosti využít. Abychom pochopili tuto novou etapu, vydali jsme knihu Taylora a Francise „Strategie kvantového výpočtu: základy a aplikace“. Tato kniha vysvětluje kvantové koncepty a uvádí příklady jejich použití v 11 odvětvích, seskupených podle oblastí, jako je optimalizace, stochastická analýza, umělá inteligence a molekulární modelování. V současné době vyžaduje řešení těchto úkolů obrovské výpočetní zdroje, ale kvantové počítače je zvládnou za pouhé sekundy.