Kvantové počítače by mohli nájsť uplatnenie v oblasti kvantovej komunikácie aj pri navrhovaní nových liekov či materiálov, kde sú simulácie v súčasnosti zložité a trvali by dlho.
Potenciál kvantového počítača je ohromný. Ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com
Pri príležitosti dnešného Medzinárodného dňa kvantovej fyziky sa bližšie pozrieme na kvantový počítač, technológiu využívajúcu kvantové javy.
Medzinárodný deň kvantovej fyziky (World Quantum Day) pripadá každý rok na 14. apríl. Ide o iniciatívu kvantových vedcov z viac než 65 krajín sveta, ktorej cieľom je podporiť porozumenie kvantovej vede a technológiám. Dátum odkazuje na zaokrúhlenú Planckovu konštantu v elektrovoltsekundách, ktorej hodnota je 4,14. Jej presná hodnota je h = 4,135 667 696 × 10⁻¹⁵ eV·s.
Kvantové počítače predstavujú novú technológiu na spracovanie informácií, ktorá funguje na princípoch kvantovej fyziky. Výpočtové schopnosti kvantových počítačov by mohli zásadne ovplyvniť široké spektrum oblastí od medicíny a logistiky až po umelú inteligenciu a kryptografiu. Vedecké tímy na celom svete sa snažia identifikovať úlohy, v ktorých by mohla kvantová technológia dosahovať rýchle a zároveň presné a správne odpovede.
V súčasnosti využívanie kvantových počítačov limitujú viaceré technologické obmedzenia. Čo sú vlastne kvantové počítače, aké sú oblasti ich využitia a kde sú dnes ich najväčšie limity?
Rok 2025 bol pre kvantovú vedu a technológie mimoriadne významný. Okrem nových impulzov pre výskum, medzinárodnú spoluprácu a popularizáciu v...
Kvantové zápletky 2026: Tajomstvá výroby kvantových bitov
Na akom princípe funguje kvantový počítač?
Kvantový počítač používa typ výpočtového systému, ktorý vychádza z princípov kvantovej mechaniky. Na rozdiel od klasických počítačov pracujúcich s bitmi, ktoré môžu mať hodnotu buď 0, alebo 1, kvantový počítač pracuje s kvantovými bitmi – qubitmi. Kvantové bity môžu vďaka javom, ako je superpozícia a kvantová prepletenosť, existovať v lineárnej kombinácii stavov. Superpozícia dvoch základných stavov znamená, že qubity môžu byť jednotkou a nulou zároveň.
Kvantová fyzika, fungovanie kvantovej mechaniky a pojem superpozícia sú pre bežného človeka ťažko uchopiteľné. Nositeľ Nobelovej ceny Richard Feynman vysvetľoval superpozíciu tak, že rozlomil kriedu na dve časti a každú umiestnil na inú stranu stola. Potom položil otázku, kde je krieda. Odpoveď znie, že sa nachádza tu aj tam zároveň.
Kvantové počítače a ich potenciál
1. Revolúcia v oblasti výpočtového výkonu
Najväčšou výhodou kvantových počítačov je ich schopnosť vykonávať mimoriadne zložité výpočty v podstatne kratšom čase. Kým klasický počítač musí pri riešení zložitých úloh prechádzať každú možnosť osobitne, kvantové počítače dokážu vďaka paralelnému spracovaniu analyzovať veľké množstvá údajov súčasne.
2. Využitie v oblasti chémie, farmácie a materiálovej fyziky
V molekulárnom výskume môžu kvantové počítače pomôcť pri vývoji nových liekov tým, že presne simulujú interakcie medzi molekulami.
Vo fyzike otvárajú možnosti výskumu nových materiálov s presne definovanými vlastnosťami, čo by s klasickými počítačmi trvalo roky.
Konkrétnym príkladom aplikácie v medicíne je napríklad vývoj nanomateriálov využiteľných v onkologickej liečbe.
V oblasti materiálového výskumu ide napríklad o vývoj nových materiálov na ukladanie vodíka, ktoré by mohli predstavovať alternatívu súčasných batériových úložisk.
Kvantové výpočty by mohli zároveň prispieť k vývoju efektívnejších solárnych článkov využiteľných vo fotovoltike.
3. Optimalizácia komplexných procesov
Kvantové počítače majú obrovský potenciál v logistike a priemysle. S ich pomocou je možné optimálne riadiť plánovanie trás, dopravné toky alebo výrobné reťazce. Súčasná analýza nespočetných kombinácií môže priniesť riešenia, ktoré sa doteraz považovali za nerealizovateľné.
4. Nová éra umelej inteligencie
Kombinácia kvantového počítania a strojového učenia prináša nové perspektívy vo vývoji umelej inteligencie. Učiace sa algoritmy by mohli byť trénované rýchlejšie a zároveň by dokázali efektívnejšie identifikovať vzory, čo predstavuje významný krok k výkonnejším systémom umelej inteligencie.
5. Pokroky v kryptografii
Vplyv kvantových počítačov na kryptografiu má dvojaký charakter. Na jednej strane predstavujú hrozbu, keďže by dokázali veľmi rýchlo prelomiť súčasné šifrovacie metódy, napríklad RSA šifrovanie. Na druhej strane však podnecujú vývoj kvantovo bezpečného šifrovania, založeného na princípoch kvantovej mechaniky, ktoré by malo byť odolné aj proti budúcim útokom.
Pozrite si
Limity súčasných kvantových počítačov
Napriek ich veľkému potenciálu sa stále nachádzame len na začiatku takzvanej druhej kvantovej revolúcie. Hoci táto technológia už nie je v úplne počiatočnom štádiu, pred jej širším uplatnením v každodennom živote je potrebné prekonať ešte množstvo zásadných prekážok.
1. Náchylnosť na chyby a nestabilita
Kľúčovým problémom je vysoká náchylnosť súčasných systémov na chyby. Qubity sú mimoriadne citlivé na vonkajšie vplyvy, ako je teplota, žiarenie alebo magnetické polia. Aj tie najmenšie rušivé vplyvy môžu skresliť výpočty. Kvantová koherencia – časový úsek, počas ktorého zostáva qubit v superpozícii – je mimoriadne krátka a ťažko kontrolovateľná.
2. Vysoká technická náročnosť
Infraštruktúra kvantového počítača je komplexná. Súčasné systémy vyžadujú špeciálne chladiace zariadenia, aby dosiahli teploty blízke absolútnej nule (-273,15 °C). Citlivé qubity fungujú stabilne len za týchto podmienok. To spôsobuje, že ich výroba a prevádzka sú extrémne nákladné.
3. Chýbajúca štandardizácia
V prípade klasických počítačov sú zavedené štandardy pre hardvér a softvér. Vo svete kvantovej informatiky stále chýbajú univerzálne rozhrania. Rôzne výskumné skupiny a podniky sa zameriavajú na odlišné architektúry a programovacie jazyky, čo sťažuje kompatibilitu.
4. Obmedzené praktické využitie
Hoci sa už podarilo vyriešiť niektoré problémy s pomocou kvantových počítačov, väčšinou ide o špecifické, teoretické otázky. Pre riešenie každodenných problémov alebo široké využitie v ekonomike stále chýbajú systémy, ktoré sú výkonné a odolné proti chybám.
Súčasný stav techniky
Veľké technologické spoločnosti ako Google, IBM či Microsoft a startupy ako Rigetti alebo IonQ investujú miliardy do kvantového výskumu. Aj v Európe vzniká čoraz viac výskumných centier, ktoré sa venujú vývoju tejto technológie.
IBM prevádzkuje kvantový počítač s kapacitou najmenej 133 qubitov a prostredníctvom IBM Quantum Network jeden z prvých verejne dostupných kvantových ekosystémov.
O rozruch sa v októbri 2019 postarala spoločnosť Google, keď v štúdii uverejnenej v Nature informovala, že sa jej podarilo dosiahnuť kvantovú prevahu (quantum supremacy). Pojem opisuje stav, keď kvantový počítač vyrieši konkrétnu úlohu rýchlejšie alebo efektívnejšie než najlepšie klasické superpočítače. V roku 2019 kvantový počítač Google vykonal výpočet za 200 sekúnd, kým superpočítač by potreboval 10 000 rokov. Výsledok bol neskôr relativizovaný.
Kvantové počítače využívajú rôzne technologické prístupy
Existujú rôzne fyzikálne prístupy k realizácii kvantových počítačov.
- Supravodivé qubity. Pri tomto prístupe prúdi elektrický prúd bez strát v mikroskopických obvodoch, čo sa deje pri extrémne nízkych teplotách.
- Iónové pasce. Jednotlivými iónmi sa manipuluje pomocou laserov a udržiavajú sa v elektromagnetickej pasci.
- Fotónové kvantové počítače. Výpočtovú prácu preberajú svetelné častice, čo by mohlo umožniť fungovanie kvantového počítača pri izbovej teplote. Tento prístup sa považuje za zvlášť sľubný pre škálovateľné a energeticky efektívne systémy.
- Topologické qubity. Sľubná, ale zatiaľ málo vyspelá technológia s teoreticky veľmi vysokou odolnosťou proti chybám.
Kedy sa kvantové počítače dostanú do bežného života?
Napriek všetkým pokrokom v oblasti výskumu zostáva využitie kvantových počítačov v každodennom živote zatiaľ hudbou budúcnosti. Odborníci predpokladajú, že potrvá ešte najmenej desať rokov, kým budú k dispozícii kvantové počítače pre širokú verejnosť. Už dnes však kvantové algoritmy prinášajú nové nápady, ako efektívnejšie riešiť problémy, pričom v tom je ich najväčší prínos.
Z dlhodobého hľadiska by kvantové počítače nemali nahradiť klasické počítače. Mali by ich zmysluplne dopĺňať ako vysokošpecializované systémy na vykonávanie mimoriadne zložitých úloh.
Kvantové technológie predstavujú sľubnú, no zároveň náročnú výzvu – ich potenciál je obrovský, no jeho plné využitie bude závisieť od schopnosti prekonať súčasné limity a technologické bariéry.
Zdroj: Quantum Photonics, AV ČR, Quark
(zh)
