Quantum computing – úvod

13. 5. 2020 Azure, Programming

Zajímají vás nové technologie, chtěli byste se dozvědět více o novém způsobu fungování počítačů a kvantových výpočtech? Neváhejte a přečtěte si článek o nejnovější službě Azure Quantum.

Image result for quantum azure
Představení Azure Quantum | Zdroj: mspoweruser.com

Řešení některých problémů týkajících se strojového učení, kryptografie a mnoha dalších odvětví by dnešním počítačům trvalo miliony let. Proto přichází Microsoft na trh se svým novým Azure Quantum, balíkem kvantových služeb, které sahají od předem postavených řešení přes kvantový software až po kvantový hardware a v neposlední řadě samozřejmě Quantum Development Kit, což je open-source sada pro vývojáře obsahující všechny potřebné nástroje pro stavbu kvantových řešení.

Image result for quantum azure
Schrödingerova kočka, která funguje jako maskot pro Azure Quantum | Zdroj: azure.microsoft.com

V tomto článku vám postupně vysvětlím, co tyto pojmy znamenají. Proč byste se právě vy měli o quantum computing v budoucnosti zajímat? Ale před všemi těmi termíny si pojďme vysvětlit, co to vlastně ten quantum computing, česky kvantové výpočty, znamená.

Kvantové výpočty a kvantový hardware

Výše již několikrát zmiňované kvantové výpočty jsou výpočetní model a jsou navržené tak, aby využívaly kvantové chování k urychlení klasických algoritmů nebo aby přinášely zcela nové způsoby modelování řešení. A už teď asi chápete, že v tomto článku budou mnohokrát použita slova, jako je kvantum, kvantové atd. Pojďme si tedy říct, co to vlastně „kvantum“ je.

Kvantum je fyzikální pojem, který zavedl německý fyzik Max Planck v roce 1900. Tehdy se studovalo záření zahřátých těles a nedařilo se najít teorii, která by vysvětlila v laboratořích naměřené závislosti vyzařování. Před Planckem předpokládali, že elektromagnetické záření se uvolňuje z povrchu těles spojitě jako vlny a pak se jako spojité vlny šíří prostorem. Planck udělal úvahu: Co když se záření odtrhává po určitých „kusech“? Tyto kusy záření nazval kvanta a položil tak základy kvantové fyziky, ze které se následně vyvinulo mnoho aplikací včetně kvantových počítačů. Planckova teorie dokonale vysvětlila záření zahřátých těles. ​

RNDr. Vladimír Vícha

Kvantový software

Další výše zmiňovaný pojem je kvantový software. Ten velmi úzce souvisí s pojmy kvantový hardware a Quantum Development Kit. Jako každý komponent balíku Azure Quantum přináší neomezenou škálovatelnost. Je to kompletní balík pro jakoukoli práci s kvantovými výpočty, navíc přináší nový programovací jazyk vyšší úrovně Q# na vývoj aplikací a algoritmů, který sice není jádrem tohoto článku, ale doporučuji si o něm přečíst více.

Kvantový hardware

Ke kvantovému hardware pouze zmíním, že je to stále technologie v útlých začátcích a že Microsoft vyvíjí jeden z prvních kvantových počítačů. Pro představu – jak komponenty takového počítače vypadají, se můžete podívat na obrázek níže.

Image result for quantum azure
Návrh toho, jak budou vypadat komponenty nových kvantových počítačů | Zdroj: cnn.com

Využití v praxi

Závěrem vám řeknu něco málo o využití v praxi a motivaci, proč se dále o tuto problematiku zajímat. Za mě jedním z nejzajímavějších a objektivně nejpopulárnějších příkladů využití je kryptografie, kde už se v roce 1994 ukázalo, že správně navržený kvantový počítač dokáže prolomit většinu tehdejších šifer. Bohužel takto daleko se zatím kvantový hardware nedostal, ale určitě se můžeme v následujících letech na takovou implementaci těšit.

Cituji článek Post-quantum Cryptography VPN publikovaný na webu Microsoftu: „Nejoptimističtější odhady tvrdí, že bychom mohli počítat s dostatečně silným a stabilním kvantovým počítačem, který by byl schopen rozbít dnešní ‚kryptografii veřejného klíče‘ za 5 a více let.“

Dále určitě stojí za zmínku využití ve strojovém učení. A to hlavně díky neskutečným schopnostem kvantových počítačů zpracovávat velký počet numerických operací. Už dokonce existují algoritmy, které umožňují exponenciálně rychlejší práci kvantových počítačů, než těch klasických.

Odkazy

Tady jsou odkazy na další osobní rozvoj v poli kvantových výpočtů, které určitě doporučuji číst, pokud vás tato tematika zaujala: