Řeči o kvantové nadřazenosti jsou podle něj jen marketing, raději hovoří o kvantové výhodě. „Plány máme pevně dané do roku 2029,“ říká Alessandro Curioni, viceprezident IBM Research pro Evropu a Afriku a zároveň ředitel nejstaršího výzkumného střediska IBM mimo Spojené státy, IBM Research v Curychu.
Kdyby člověk četl pouze novinové titulky a tiskové zprávy firem, které se pustily do kvantových závodů, mohlo by se zdát, že už žijeme uprostřed doby kvantové a například šifrování, na kterém běží bankovní komunikace, obranné systémy nebo krypto je přežitek z jiné doby. Něco mi ale říká, že realita asi bude jiná. Jak byste charakterizoval současnou fázi výzkumu kvantových počítačů?
Zásadní je vidět celý kontext. Kvantové počítače a jejich výzkum není záležitost posledních deseti let, těch dekád si už prošel padesát či šedesát, podle toho, kde si nastavíte tu hranici. A od té doby si již stačil projít mnoha fázemi. Nejdřív se objevily teorie o teoretické možnosti jejich realizace. Zhruba před deseti lety jsme začali vnímat první reálnou možnost implementovat zařízení, která by mohla udržet kvantové výpočty.
A od té doby došlo k téměř exponenciálnímu zrychlení toho, co můžeme s kvantovými počítači dělat. Před několika lety jsme se dostali do bodu, kdy společnosti, které jsou v této oblasti na špici, začaly prosazovat první industrializaci kvantových výpočtů. Hlavní věc, která se změnila pro IBM, je, že dnes máme velmi jasnou road mapu do roku 2029, a pokud se od ní neodchýlíme, tak v příštím roce dosáhneme toho, co lidé označují jako kvantovou výhodu.
Bude to první skutečně rigorózní demonstrace toho, že kvantové výpočty dokážou něco, co ty klasické samy o sobě umět nikdy nebudou. A ta slova „samy o sobě“ jsou klíčová, protože v budoucnu to nikdy nebude buď, anebo, ale obě oblasti se budou rozvíjet paralelně a budou se doplňovat. Rozhodně to neznamená konec klasických počítačů.
Říkal jste, že ta road mapa míří až do roku 2029, jak moc konkrétní plány máte do tak vzdálené budoucnosti?
Plány jsou konkrétní dost. Právě v té době získáme první kvantový počítač odolný proti poruchám, takže to lze označit jako takzvaný konec NISQ éry. Co to znamená? Budeme mít kvantový počítač odolný proti rušení, který bude schopen udržet dostatečnou výpočetní kapacitu, aby umožnil to, co nazýváme univerzálním kvantovým výpočtem.
NISQ
NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) je generace kvantových počítačů, které mají desítky až stovky qubitů a dokážou demonstrovat slibné výpočetní postupy, ale zároveň trpí vysokou chybovostí a chybí jim robustní korekce chyb. Slouží tedy zatím hlavně pro vývoj a experimenty než pro reálný byznys.
IBM Condor pracuje s více než tisíci qubity, ale i mnoho konkurenčních, komerčně dostupných kvantových počítačů v současné době pracuje s kapacitou sta až dvou set jednotek toho, co nazýváme fyzickými qubity. Na stovce qubitů jsme dnes schopni provést pět tisíc kvantových operací, než se magie rozpadne a systém přestane fungovat jako kvantový systém.
V roce 2029 budeme schopni provést na přibližně dvou stech qubitech kvantově odolných proti chybám přibližně sto milionů kvantových operací. To je obrovský skok. Opakuji, že tato technologie nyní dozrává a konečně se začíná realizovat její transformační síla. První významný milník pokoříme v příštím roce.
Co je podle vás největší průlom kvantového týmu IBM v posledních letech?
Těžko se vybírá jediný. Myslím, že to je nepřetržitá série úspěchů, jen teď v listopadu to bylo oznámení další evoluce našeho kvantového procesoru, schopného dělat mnohem více věcí, který se nazývá IBM Quantum Nighthawk. Tento experimentální procesor bude v našem systému ještě do konce tohoto roku.
Paralelně jsme oznámili další experimentální procesor IBM Quantum Loon, který má všechny ingredience pro kvantovou korekci chyb. To je základní blok pro dosažení kvantově odolného počítače v roce 2029.
A to jsme s zatím bavili jen o hardwaru. Pokud se podíváte z pohledu softwarové aplikace, i na dnešním hardwaru a bez kvantové výhody umíme díky chytrému propojení klasických a kvantových výpočtů dělat simulace, které jsou užitečné pro určité obory.
Příkladem jednoho z takových našich partnerů, ale máme jich mnohem více, je bankovní dům HSBC. Ten v rámci svých experimentů s kvantovými výpočty zjistil, že pouhým pokusem o zavedení kvantové fyziky do pracovního postupu byl schopný přijít s novým algoritmem, který o třicet procent zvýšil úspěšnost algoritmických obchodů na dluhopisovém trhu, respektive toho, že proběhnou tak, jak byly zamýšleny.
Což mě přivádí k další otázce. Jaká jsou hlavní odvětví, která už teď mohou smysluplně těžit z kvantových výpočtů, jež jsou dnes k dispozici?
Není jich zase tak málo, jak by se mohlo zdát. Většina z těch, která to dnes aktivně dělají, tak činí hlavně proto, aby se připravila na to, až se transformační fáze v roce 2029 stane realitou. A to vás možná přivádí k otázce, proč se dnes musíme připravovat, i když tam přímá hodnota ještě často není vidět.
Jenže u kvantových počítačů nejde o to, co je možné dnes, protože velmi dobře víte, že skutečná síla kvantových výpočtů nespočívá v urychlení škálování, které není exponenciální, ale lineární nebo polynomiální.
Jakmile kvantový počítač bude schopen vyřešit nějaký problém, od toho dne bude mít transformační dopad. Není to jako u klasického výpočetního výkonu, kdy si prostě řeknete: „Dobře, počkám na další generaci, která bude o deset procent lepší.“ Když přejdete ke kvantovým výpočtům, pokaždé, když přidáte jeden qubit do systému, zdvojnásobíte výkon. Když dojde na lámání chleba a vy nebudete připravený, máte doslova dny, než se stanete beznadějně zastaralým.
Když dojde na lámání chleba a vy nebudete připravený, máte doslova dny, než se stanete beznadějně zastaralým.
A kterých odvětví se to primárně týká? Již zde padly finanční služby, kde platí, že i když získáte pouze jedno, dvě nebo tři procenta přesnosti predikce investičního portfolia navíc, vyřadíte všechny ostatní z podnikání. Ve fyzickém světě kvantové výpočty umožňují velmi přesné kvantově chemické simulace, takže budou čím dál více ovlivňovat odvětví, jako jsou chemie a farmacie.
A nakonec jsou tu všichni, kdo v podnikání potřebují řešit problémy s velmi složitými optimalizacemi, logistikou a podobně. Vezměte si třeba plánování letů. Dnes je třeba největší problém, který nemá nikdo úplně vyřešený, plánovat letadla, přiřazovat letiště a posádky v reálném čase.
Takže klasický problém obchodního cestujícího vyloženě čekal, až dorazí kvantové výpočty?
Ano, ale na další úrovni. Je to velmi zajímavé, protože víme, že v tomto problému nesnížíme složitost z exponenciální na kombinatorickou a lineární. Ale můžeme ji tím, že jej předhodíme kvantovému počítači, výrazně snížit. Takže stále nevyřešíme problém celý, ale vyřešíme jej částečně.
Problém obchodního cestujícího
Problém obchodního cestujícího (Traveling Salesman Problem, TSP) je klasická úloha z informatiky a matematické optimalizace, která spočívá v tom, že máte daný seznam měst a vzdáleností mezi nimi a hledáte nejkratší možnou cestu, při níž cestující navštíví každé město právě jednou a vrátí se zpět na začátek.
Jde o zdánlivě jednoduchý problém, jehož obtížnost ale prudce roste s počtem měst: počet možných tras totiž explozivně narůstá, takže je prakticky nemožné všechny jednotlivě vyzkoušet.
Jaké využití kvantových výpočtů podle vás bude nejsmysluplnější v příštích třech nebo pěti letech?
První, kde podle mého názoru uvidíme výhodu, bude v oblasti chemie a výzkumu materiálů. Největší komerční dopad, který pravděpodobně přijde až později a bude mnohem větší, bude v oblasti financí, bank, ekonomiky.
V médiích se v posledních letech hodně mluví o závodech o kvantovou nadřazenost. Jak tohle téma vnímáte vy?
My neradi mluvíme o nadřazenosti, zní to dost nabubřele. Raději zmiňujeme kvantovou výhodu. A i když to může vypadat jako slovíčkaření, je to trochu jiný příběh. A pak je tu ještě o něco menší skok, který nazýváme komerční dopad.
Hezky to dokresluje ten pokus HSBC, kdy i nepřímo, jen za pomoci kvantových technologií, které máte k dispozici dnes a jejich propojením s tradičními počítači, můžete dosáhnout komerčního dopadu. To znamená, že začínáte přehodnocovat způsob, jakým používáte kvantové počítače k řešení problémů, klidně i těch úplně klasických, abyste získali řešení, která jsou lepší než ta předchozí. Takže zde existuje komerční dopad.
S kvantovou výhodou je to složitější, protože se dostáváme na víc teoretické pole – hovoříme o momentu, kdy bychom měli být schopni udělat něco, co není možné udělat tradiční cestou, ale pouze kvantovými výpočty – a musíme zde být vědecky důslední.
Pokoušíte se něco udělat a musíte se ujistit, že to můžete dokázat. A abyste něco dokázali, pokud je to zatím jen plně teoretické, můžete to dokázat na papíře, jenže pak získáte jen teorém. V opačném případě potřebujete experimenty, musíte je být schopní kontrolovaným způsobem zopakovat a umožnit každému oponentovi, aby se vás pokusil vyvrátit. A proto jsme zveřejnili tracker kvantové výhody a říkáme: „Podívejte, tohle jsou problémy, o kterých si myslíme, že s jejich pomocí získáme kvantovou výhodu.“
Pokud si myslíte, že získáte kvantovou výhodu, zveřejněte své problémy a nechte komunitu, aby vám je vědeckým způsobem vyvrátila. Pokud se jí to nepovede, můžete si kvantovou výhodu nárokovat. Jinak to nemá smysl. Jinak je to jen bezduchý marketing, který, myslím, nedělá dobrou službu ani tomu, kdo se jím zaštiťuje. Takže to je náš pohled na věc.
Kdybyste měl objektivně zhodnotit trh a říci, kdo má dnes ke kvantové výhodě nejblíže, kdo by to byl?
Myslím, že jsou na trhu jen tři subjekty, o kterých lze v tomto směru vážně uvažovat. První jsme my, tedy IBM, pak je tu s odstupem Google a třetí vás možná překvapí, protože je to čínský státem sponzorovaný výzkum.
Jak se to má s kvantovou hrozbou pro dnes používanou kryptografii? Už teď víme, že v kvantovém světě není v bezpečí. Přesto se ty samé kryptografické postupy pořád používají od bankovnictví přes obranu až po kryptoaktiva…
Není tolik podstatné, kdy budete mít k dispozici stroj, který něco takového umí. Když začnete o tom problému přemýšlet, protože musíte, je už vlastně příliš pozdě. Sbírat data a pak je čistit totiž můžete již teď a potom prostě jen čekáte. Až změna přijde, bude instantní. A najednou už bude příliš pozdě s tím něco dělat.
Proto je také zoufale potřebné vzít svá nejcitlivější data či platformu a pokusit se je chránit už teď, i když ta bezprostřední hrozba nepřijde zítra, ale teď již bezpečně víme, že jednou přijde. Přesto, že to dává perfektní smysl, jen minimum organizací se o to ale zatím pokouší. Je to paradox, speciálně tady v Evropě, kde máme tak super silný důraz na soukromí.
Zhruba padesát procent vašich dat a osobních údajů, které jsou zašifrované, již bylo někým shromažďováno. A jakmile je bude moci dešifrovat, veškeré vaše soukromí bude pryč. Proč na to tedy neklademe dostatečný důraz?
Jak podle vás kvantové výpočty změní životy běžných lidí a co bude větší komercializace kvantových počítačů znamenat pro ty klasické?
V prvé řadě to nebude buď, anebo, tedy kvantové nebo klasické, vývoj se již před časem rozvětvil na tradiční a kvantovou větev. Navíc, jak jsem již řekl, obě kategorie se budou více a více doplňovat. Klasické počítače za posledních třicet let změnily život obyčejných lidí. Podobně dramatické to bude s kvantovými počítači.
Klasické počítače za posledních třicet let změnily život obyčejných lidí. Podobně dramatické to bude s kvantovými počítači.
Na ty kvantové si ale na rozdíl od příchodu osobního počítače nebo chytrých telefonů zpravidla nesáhnete, ne?
Nebude to potřeba. Podstatné je, že dokonale odemknou věci, o které se už delší dobu nesměle pokoušíme a zatím to s nimi fungovalo s rozpaky.
Například o éře digitálních dvojčat se hovoří již dlouho, ale nikdy pořádně nenastala, protože ta dosavadní nikdy nebyla dostatečně přesná. Jenže to se s kvantovými počítači změní. To najednou znamená, že pro nás lidi budou k dispozici plánovací algoritmy, které pravděpodobně budete moci vyhodnocovat na svém telefonu, ale částečně poběží na kvantovém počítači, který bude mnohem přesnější než dnes.
Nebo si vezměte kvantovou medicínu. Když spojíte kvantové počítače a kvantové strojové učení, získáte něco, co vypadá jako ze sci-fi. Už to není obyčejná personalizovaná medicína, dostanete buněčnou medicínu s terapiemi, které vás vyléčí personalizací buněk. Například máte nezhoubný nádor, který bude časem odstraněn, máte deset různých sad buněk a vy postupně vyléčíte každou z nich, nesoustředíte se už jen na ten samotný nádor.
Nebo lepší materiály. Pokud budeme schopni lépe simulovat přírodu, budeme jí lépe rozumět a budeme schopni navrhnout lepší léky, materiály, řešení, co vás napadne. A není to extrapolace, to jsou všechno věci, které se již stávají realitou.
Jakou roli dnes hraje v rozvoji kvantových počítačů software?
Obrovskou. Dobrý software pomůže s integrací kvantových výpočtů, pomůže s abstrakcí, ale také pomůže usnadnit používání kvantových výpočtů. Diskutoval jsem to nedávno s kolegy, kteří mi říkali, že jednou z hlavních věcí je snažit se mít v softwaru dostatečně jednoduchou abstrakční vrstvu, aby se kvantové výpočty snadno řešily. A já s tím souhlasím.
Ale zároveň věřím, že v nové éře generativní umělé inteligence budeme pravděpodobně programovat počítač tak, že se zeptáme na to, co potřebujeme, aniž bychom museli dále programovat, a o zbytek se již postará AI. Totéž se totiž právě teď děje ve světě klasických počítačů a tradičního programování.
Co je teď pro kvantový výzkum největší výzva?
Výzvy jsou na všech úrovních. Potřebujeme vytvořit lepší hardware, lepší propojení, lepší integraci mezi počítači, lepší softwarovou vrstvu. Nejdůležitější je ale korekce chyb, umožnění korekce chyb ve správném měřítku. A potřebujete vynalézt nové sady algoritmů, které všechny tyto věci spojí dohromady. Jakmile totiž takový algoritmus budete mít, mohou začít přicházet aplikace, které toho mohou využít.
Pamatuji si, že dříve bývala velkým problémem kvantových počítačů spotřeba energie a chlazení. Náklady jednoduše neodpovídaly tomu, co kvantové počítače dokázaly. Platí to stále?
Myslím si, že je to trochu mýtus. Ano, u kvantového počítače musíte čip dostat na teplotu blížící se absolutní nule, což vyžaduje extrémní podchlazení na začátku. Ale často se zapomíná, že kvantové výpočty jsou nedisipativní. To znamená, že když počítáte, tak už tu jednou dodanou energii nevyhazujete a udržování toho stavu tak již stojí minimum. To je rozdíl oproti tradičním výpočtům, které pálí obrovské množství energie.
Navíc ochlazujete jen velmi malý prostor, který pak zůstává dlouho chladný. Neříkám, že energii nepotřebujete, ale potřebujete mnohem, mnohem méně energie na daný problém než na klasický problém řešený v běžném datacentru.
