Pomohou kvantové počítače překonat hranice současné výpočetní technologie?

Pevnější a pružnější kovové materiály dlouho vznikaly metodou pokus–omyl. Jejich vývoj nesmírně urychlila a usnadnila výpočetní technika. I ta nejvýkonnější však má své limity. Překročit je mohou kvantové počítače, do jejichž éry vkládá naději materiálový fyzik Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR. Článek o jeho bádání vyšel ve čtvrtletníku Akademie věd ČR A / Magazín. Důležitost oboru potvrdila OSN, jež letošní rok vyhlásila Mezinárodním rokem kvantové vědy a technologií.

Kovář nebyl v dávné minulosti pouze řemeslníkem – mnohde na vsi plnil také roli zubaře nebo léčitele koní, někde jej lidé dokonce považovali za ochránce od zlých duchů či přímo mága. Uměl totiž doslova kouzlit s kovy – za pomoci ohně přeměňoval jejich formu a upravoval jejich vlastnosti.

„Kouzlení“ s kovovými slitinami se dělo vlastně ještě docela nedávno. Metalurgové připravili desítky nebo stovky experimentálních vzorků s různými kombinacemi prvků a další odborníci pak měřili a testovali jejich vlastnosti. Tento klasický postup byl poměrně časově náročný, drahý a neefektivní. Při troše štěstí bývaly jeho výsledkem skvělé inovativní materiály, často však veškeré pokusné vzorky končily v koši.

Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR (CC)

Jako kostky lega
Snížit množství neúspěšných pokusů pomohlo až počítačové modelování, které zažívalo boom na konci 20. století. Díky němu už dnes není třeba přicházet s množstvím experimentálních vzorků jako dřív, protože teoretičtí materiáloví fyzici si látky nejprve v počítači namodelují, aby odhalili ty nejperspektivnější. Jen ty se pak dostanou „na stůl“ experimentátorům. Celý vývoj nového materiálu je tak efektivnější.

„V počítači si poskládáme hmotu atom po atomu jako kostky z lega. Naše metody jsou velmi spolehlivé a přesné. Díky současným superpočítačům dokážeme propočítat i systémy obsahující stovky různých atomů,“ uvádí Martin Friák z brněnského Ústavu fyziky materiálů AV ČR.

Nanočástice využitelné v lékařské vědě nebo k ukládání vodíku se však skládají až ze stovek tisíc atomů. A s těmi si momentálně neporadí ani ty nejvýkonnější superpočítače světa – nedokážou totiž dostatečně přesně spočítat a určit vlastnosti materiálů budoucnosti. Třeba těch, jež lze využít v cirkulární ekonomice – což je téma, které Martina Friáka velmi zajímá.

„V počítači si skládáme hmotu atom po atomu jako kostky lega,“ říká Martin Friák.

Materiáloví vědci často stojí u zrodu látek, které s sebou nesou nejen výhody a zlepšení, ale někdy i zátěž pro životní prostředí. Jejich ekologickou stopu by mohla pomoci snížit právě cirkulární ekonomika, která umožňuje znovu použít již existující substance.

„Problém ale je, že takové materiály bývají často silně znečištěny velkým množstvím příměsí cizích atomů. Mluvíme tady o systémech tisícovek atomů. Pokud chcete správně určit jejich vlastnosti a připravit je k novému použití, potřebujete opravdu velký výpočetní výkon,“ konstatuje fyzik.

Komunita teoretických materiálových fyziků si na limity současné výpočetní technologie do jisté míry zvykla. „Říkají si: máme tento strop a budeme pracovat pod ním. Přijde mi to škoda. Když jsem se dozvěděl o možnostech, které nabízejí kvantové počítače, uvědomil jsem si, že právě ony by nám mohly pomoci tento letitý strop prorazit,“ pokračuje Martin Friák.

Rozhodl se proto minimálně několik příštích let zasvětit svou práci vývoji softwaru použitelného pro výpočty nových materiálů v kvantových počítačích. Jeho vizi loni podpořila Akademie věd ČR udělením prestižní Akademické prémie, jež mu částkou 30 milionů na dobu šesti let umožní sestavení multioborového týmu, nákup nového hardwaru, a především větší klid na práci.

Co je kvantový počítač
Když se řekne počítač, vybaví se většině z nás monitor a klávesnice. Možná už jsme někde viděli i superpočítačové centrum, které vypadá jako velká serverovna plná skříní s kabely a světýlky. Jak si ale představit kvantový počítač?

Velký je zhruba jako pořádná americká lednice – je tedy větší než klasický počítač, ale menší než superpočítač. Především však pracuje na úplně jiném principu než klasická výpočetní technika. Využívá totiž jedinečných zákonitostí kvantového světa, který se velmi liší od toho, jejž poznáváme vlastními smysly.

Když si hodíme mincí v reálném světě, padne panna, nebo orel. Ve světě kvantovém dostaneme pravděpodobnost, s jakou daný jev nastane. Obě hodnoty ale mohou být i současně v superpozici. Tu je nesnadné vysvětlit běžnými slovy, proto většina vědeckých novinářů a popularizátorů použije zjednodušený výrok, že panna i orel můžou nastávat v kvantovém světě najednou.

V klasické informatice pracujeme s informační jednotkou bit, která může být buď jedničkou, nebo nulou. V kvantové mechanice používáme qubity, jež můžou existovat v superpozici svých dvou základních stavů – zjednodušeně řečeno, můžou být jedničkou i nulou zároveň. Pochopitelně skutečnost je daleko komplikovanější a pracuje s matematickými termíny, jako jsou kombinace a pravděpodobnost. Kvantový výpočet vlastně bere v potaz pravděpodobnost, s jakou k určitému stavu dojde.

Nositel Nobelovy ceny Richard Feynman superpozici vysvětloval tak, že rozlomil křídu na dvě části a každou umístil na jinou stranu stolu. Pak položil otázku, kde je křída. Odpověď zní, že se nachází tady i tam najednou. Objasnit kvantovou elektrodynamiku v několika málo větách podle tohoto vědce však možné není – jinak by přece nebyla hodna udělení nobelovky.

Kvantové počítání v Česku
Lídrem ve vývoji kvantových počítačů je americká technologická firma IBM. První komerční přístroj s kapacitou 20 qubitů představila v roce 2019, v roce 2021 už kapacita dosahovala zhruba 127 qubitů. Až donedávna IBM uživatelům – například vědecké komunitě – umožňovala, aby na těchto kvantových přístrojích nebo jejich simulátorech zkoušeli vyvíjené algoritmy.

„Bohužel se zrovna od letoška dostáváme do obtížné situace, kdy IBM tuto otevřenost opouští. Abychom mohli na jejích kvantových počítačích pracovat, museli bychom si zaplatit velmi drahou licenci ve výši několika milionů korun ročně,“ podotýká Martin Friák.

Akademickou prémii vědec využije k přípravě algoritmů pro kvantově-mechanické výpočty na kvantových počítačích, jež by umožnily efektivnější vývoj nových materiálů a materiálů budoucnosti. (CC)

Na vývoji kvantových technologií pracují také japonské firmy a výzkumná pracoviště a vývoj tímto směrem jde raketovou rychlostí také v Číně. Kvantové algoritmy jsou totiž výborně využitelné v oblasti šifrování a luštění šifer, takže jde o velmi citlivou záležitost. Evropská unie si uvědomuje, že také ona musí intenzivně pracovat na vývoji těchto supermoderních zařízení.

Dobrou zprávou pro české firmy i vědecké instituce je, že jeden z prvních šesti evropských kvantových počítačů by měl ještě letos začít fungovat v Ostravě v národním superpočítačovém centru IT4Innovations. „Pro naši republiku je to skutečně velký úspěch. Přístup k ostravskému kvantovému počítači budou mít všichni akademičtí pracovníci a do určité míry i lidé ze soukromého sektoru. Podmínkou bude předložit smysluplný projekt,“ vysvětluje Martin Friák, který je zároveň předsedou Rady uživatelů centra IT4Innovations.

Český kvantový počítač by měl mít kapacitu minimálně 12 qubitů. Ve srovnání s IBM, která momentálně provozuje kvantový počítač s kapacitou nejméně 133 qubitů, se to může zdát málo. Na druhou stranu i oněch 12 qubitů poskytuje opravdu hodně velké výpočetní možnosti. Ostravský kvantový počítač bude přímo propojen se superpočítačem Karolina, který se nachází v IT4Innovations centru, a plánuje se jeho dálkové napojení na nejvýkonnější evropský superpočítač LUMI ve Finsku a další připravovaný superpočítač v polském Krakově.

Jak bude český kvantový počítač vypadat? Představte si tři velké skříně: první bude „lednice“ s kvantovým čipem, chlazená na 14 milikelvinů. Ve druhé skříni bude umístěný kompresor zajišťující chlazení. A třetí bude obsahovat elektroniku, která bude celé zařízení ovládat, provádět instrukce a měřit výpočty.  

Zmiňovaný ostravský superpočítač Karolina zabírá celkovou plochu 35 m², zatímco připravovanému kvantovému počítači budou stačit 4 m² pro přístroj sám plus dalších 20 m² pro podpůrné technologie.

Recept na všechno?
Mohou vyřešit skoro všechny problémy lidstva – od léku na rakovinu po klimatické změny planety. I takové mýty o kvantových počítačích kolují internetem. Pravda je, že tyto technologie vzbuzují obrovské naděje, jejich skutečný potenciál je ale teprve potřeba ozkoušet.

„Kvantové počítače mohou excelovat v několika málo oblastech, třeba v hledání prvočísel. Ne nadarmo se o ně enormně zajímají vlády a jejich tajné služby,“ říká Martin Friák. „Na druhou stranu pořád jsme ještě ve fázi vývoje, kdy teprve hledáme takzvanou kvantovou výhodu. Vědecké týmy po celém světě se snaží identifikovat úlohy, v nichž bude kvantová technologie dosahovat rychlých a zároveň přesných a správných odpovědí,“ dodává fyzik.

Kvantové počítače bude možné využívat pro specifické typy úloh. V chemii a farmacii se testují jejich schopnosti modelovat molekuly a ve fyzice možnosti vývoje nových materiálů. Práce Martina Friáka a jeho kolegů v současné době spočívá v psaní a testování algoritmů pro kvantové počítání využitelné při vývoji nových materiálů. Už několik let na tomto úkolu spolupracují například se skupinou Arama Harrowa z amerického Massachusettského technologického institutu (MIT).

„Věnuje se tomu doktorská studentka z mého týmu Ivana Miháliková. Programuje metody, které společně s nimi vyvíjíme, simuluje běh kvantového počítače a zároveň testuje, jestli vyvíjené algoritmy fungují,“ popisuje Martin Friák spolupráci finančně podpořenou programem MIT-Czech Republic Seed Fund, díky němuž mohla doktorandka do Spojených států několikrát vycestovat.

Medicína i ekologie
K čemu přesně bude možné kvantové počítání v oboru materiálové fyziky využít, úplně jasné a jisté není. Každopádně je však dobré se na nastupující éru kvantového počítání připravit. „Moje vize je, že neskončíme u napsání softwaru, ale zkusíme jej použít právě pro výpočet nových materiálů,“ říká vědec. „Doufám a věřím, že koncem tohoto desetiletí, kdy bude dobíhat Akademická prémie, už budou k dispozici funkční pokročilé kvantové počítače a potkají se tak s našimi algoritmy, na kterých nyní intenzivně pracujeme.“

Speciální vzorky připravené pro zkoumání metodami elektronové mikroskopie. Ty umožňují zvětšení téměř až na úroveň jednotlivých atomů. (CC)

Příkladem možných aplikací by mohly být materiály vhodné k ukládání vodíku, jež by se mohly stát alternativou k současným bateriovým úložištím. Kvantové výpočty by mohly pomoci také při vývoji lepších solárních článků využitelných ve fotovoltaice.

Další možností jsou nanomateriály, které lze aplikovat v medicíně, třeba v onkologické léčbě. Pracuje se například na nanočásticích, jež by mohly proniknout do těla přesně k místu zhoubného nádoru a zničit jej.

Vědci ve skupině Martina Friáka se věnují také vývoji nových magnetů, přičemž se snaží vyhnout takovým, které by obsahovaly prvky vzácných zemin. Jednak s ohledem na jejich ekologickou stopu, ale také na geopolitické souvislosti, protože největším současným producentem těchto prvků je Čína.

Při hledání nových magnetů tak zkoušejí měnit uspořádání jednotlivých atomů v krystalových mřížkách materiálů, což jde bez kvantových výpočtů velmi pomalu a málo efektivně. Když to přeženeme, můžeme říct, že jsme zpět u metody pokus–omyl jako v případě starověkého kováře. „Ve chvíli, kdy budu mít kvantový počítač a funkční software, budu moct vzít v potaz složitost toho systému a propočítat nejlepší možné varianty materiálu,“ dodává Martin Friák.  

Kvantové kouzlení
Kvantové počítače pravděpodobně nejsou žádnými magickými superstroji, které vyřeší veškeré problémy lidstva. Slovník ze světa magie, kouzelnictví a pohádek se nicméně v souvislosti s nimi v médiích docela často používá. Možná kvůli komplikovanosti jejich fungování, ale také nadějím, jež vzbuzují.

Nevyhýbá se mu ani Martin Friák. „Třeba když jsem doma dětem vysvětloval, že v kvantovém světě se můžou hodiny otáčet oběma směry najednou, přišlo jim to úžasné. Kam se v té chvíli hrabal Harry Potter! Děti vyprávění o mé práci docela baví, mají pocit, že v ní používáme jakýchsi zvláštních kvantových kouzel.“

Článek vyšel pod názvem Prorazit strop v A / Magazínu 2/2024:

2/2024 (verze k listování)
2/2024 (verze ke stažení)

K dispozici je také anglická verze článku pod názvem Outside-the-box quantum computing used for materials of the future.

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a fotografie označené CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku