Ako funguje prvý hypoteticky kvantový počítač?

V posledných rokoch vstúpila na trh firma D-wave, ktorá ponúka na predaj kvantové počítače. Táto skutočnosť sa stále stretáva so skepticizmom, ktorý sa ale začína pomaly rozpúšťať. Svedčí o tom aj nákup kvantového počítača D-wave firmou Lockheed Martin.

Vzťah mezdi klasickým a kvantovým počítaním, tak ako ho poňala firma D-wave, je nasledovný. Klasické počítače, ktoré používame v živote na nespočet činností od chatovania, až po zložité vedecké simulácie pracujú na spracúvaní jednoduchých aritmetických operácií. Ich sila spočíva vtom, že tieto operácie dokážu robiť obrovskou rýchlosťou. Takto pracujúce počítače sú veľmi efektívne v riešení mnohých úloh. Napriek tomu existujú úlohy pri ktorých riešení majú klasické počítače medzery napr. rozpoznávanie obrazov, chápanie jazyka alebo učenie sa z vlastnej skúsenosti. Samozrejme vývoj napreduje aj v týchto oblastiach, ale existuje aj alternatívny spôsob ako tieto úlohy riešiť a tým je kvantové počítanie.

Ako už bolo uvedené skôr klasické počítače spracovávajú jednoduché aritmetické operácie pri ktorých transformujú reťazce bitov ( núl a jednotiek) na iné reťazce. Kvantové počítanie je naproti tomu postavené na odlišnej logike na tzv. qubitoch.
 

Obrázok 1.

Ako funguje kvantové počítanie ilustruje nasledujúci príklad (obr. 1). Predstavme si, že máme sadu vypínačov a ku každému z nich je priradené isté číslo. Okrem toho každý vypínač môže byť v dvoch režimoch: zapnutý v tomto prípade násobíme číslo priradené k vypínaču jednotkou alebo vypnutý keď dané číslo násobíme mínus jednotkou. Našou úlohou je umiestniť vypínače do takej polohy, aby celkový súčet všetkých čísel bol minimálny. Riešenie je v tomto prípade triviálne a je zobrazené na obrázku 2.
 

Obrázok 2.

Situáciu je samozrejme možné skomplikovať a to takým spôsobom, že každý susediaci pár vypínačov spojíme pričom každému spojeniu je priradené ľubovoľné číslo tak ako tomu bolo pri vypínačoch. Celá situácia je zobrazená na obrázku 3. Teraz keď budeme chcieť určiť minimálnu hodnotu súčtu musíme do tohto súčtu započítať aj hodnoty „spojov“ (pre dva horné vypínače bude platiť napr. : [1x(-1) + 0.2x(-1)] príspevok od vypínačov + [0.2x(-1)x(-1)] príspevok od spojnice ). To celú situáciu komplikuje. Klasické počítače v tomto prípade môžu postupovať tak že prepočítajú všetky možné súčty zodpovedajúce všetkým polohám vypínačov. Takýto prístup ale začína byť časovo náročný pretože v prípade ak máme napr. k dispozícii 100 vypínačov celkový počet možných odpovedí sa vyšplhá až na 31 ciferné číslo. V prípade ak by sme použili 500 vypínačov na vyskúšanie všetkých kombinácii by sme by sme potrebovali viac času ako bude predpokladaná doba existencie vesmíru.

Obrázok 3.

Kvantové počítače môžu s týmto problémom pomôcť vďaka tomu že na rozdiel od bitov, ktoré musia mať zvolenú hodnotu 0 alebo 1 môžu qbity vystupovať v obidvoch stavoch súčasne alebo inak povedané qbit sa môže nachádzať v pozícii, keď sa ešte nerozhodol v akom finálnom stave sa bude nachádzať. Celá situácia by potom vyzerala ako na obrázku 4.

Obrázok 4.

Takto nastavený systém v sebe teda zahŕňa všetky možnosti a medzi nimi aj nami hľadanú správnu odpoveď (minimálny súčet).

Kvantový výpočet teda prebieha nasledovne. Systém sa na začiatku nachádza v stave, ktorý zodpovedá obrázku 4. Tento stav sa následne vychýli tak, aby si každý z vypínačov zvolil klasickú hodnotu 1 alebo -1. Ešte pred tým do systému vložíme hodnoty zodpovedajúce číslam priradených každému vypínaču a každému spoju. Zvyšok za nás už urobí kvantová mechanika, ktorá s najväčšou pravdepodobnosťou zvolí správnu konfiguráciu vypínačov tak aby sme v súčte dostali minimálnu hodnotu. Jedinú vec ktorú teda musíme urobiť je, že náš problém z reálneho sveta prevedieme do jazyka čísel priradených vypínačom a spojniciam.

Samozrejme odpoveď na našu otázku má pravdepodobnostný charakter. V ideálnom prípade dostaneme na 100 otázok vždy rovnakú odpoveď. Niekedy môže, ale program odpovedať s 50 percentnou pravdepodobnosťou. To ale vôbec nemusí byť problém pri riešení špecifických úloh. Napríklad ak by mal náš program rozpoznávať obrazce a my mu 100 krát ukážeme na jednom obrázku štvorec a trojuholník, program nám môže dať odpoveď, že v 50 prípadoch rozpoznal štvorec a v 50 prípadoch trojuholník.

Takéto počítače môžu disponovať nielen schopnosťou rýchlo riešiť podobné úlohy, ale hlavne môžu byť schopné učiť sa a teda programovať samé seba.