Nový kvantový čip Willow od Googlu dokáže něco, co se zatím nikomu nepodařilo – exponenciálně snižovat chybovost při zvyšování počtu qubitů. „Willow vyřešil standardní výpočet za méně než 5 minut, který by současnému nejvýkonnějšímu superpočítači trval více než 10^25 let, což dalece přesahuje stáří vesmíru,“ uvedl generální ředitel Googlu Sundar Pichai na sociální síti X.
Vývoj čipu Willow začal již před více než deseti lety, kdy Hartmut Neven založil divizi Google Quantum AI. Jeho vizí bylo vytvořit prakticky využitelný kvantový počítač, který by dokázal využít principy kvantové mechaniky – tedy samotného „operačního systému přírody“, jak jej Google označuje – pro řešení složitých vědeckých úkolů. Nyní, po letech intenzivního výzkumu a vývoje, představuje Willow významný krok k dosažení tohoto cíle.
Kvantový čip Google Willow řeší řadu problémů této nadějné technologie. Foto: Se souhlasem společnosti Google
Dva revoluční průlomy v jednom čipu
Willow přináší dva zásadní průlomy v oblasti kvantových výpočtů. První z nich se týká opravy chyb, což je problém, který trápí kvantové počítače od jejich vzniku. Kvantové bity (qubity) jsou totiž mimořádně citlivé na okolní rušení a mají tendenci rychle ztrácet svůj stav výměnou informací s okolním prostředím. To dosud znamenalo, že čím více qubitů počítač obsahoval, tím více chyb vznikalo.
Willow tento problém řeší převratným způsobem – čím více qubitů využívá, tím se snižuje míra chyb. Při testech Google postupně zvětšoval pole qubitů z 3×3 na 5×5 a následně na 7×7, přičemž s každým zvětšením se podařilo snížit chybovost na polovinu. Tento výsledek představuje první úspěšnou demonstraci takzvané podprahové kvantové korekce chyb (below threshold quantum error correction), což je cíl, o který se obor snaží již od roku 1995, kdy Peter Shor představil koncept kvantové korekce chyb.
Význam tohoto průlomu je obrovský – je to první přesvědčivý důkaz, že je možné postavit škálovatelný logický qubit, tedy základní stavební prvek budoucích kvantových počítačů. Navíc jde o první případ, kdy se podařilo provést korekci chyb v reálném čase na supravodivém kvantovém systému, což je klíčové pro jakýkoliv prakticky využitelný výpočet. Pole qubitů v čipu Willow má delší životnost než jednotlivé fyzické qubity, což je nezpochybnitelný důkaz, že korekce chyb skutečně zlepšuje celkový systém.
Pro změření výkonu čipu Willow použil Google test náhodného vzorkování obvodů (Random Circuit Sampling, RCS). Tento benchmark, který tým Googlu zavedl a který se stal standardem v oboru, představuje nejtěžší klasicky ověřitelný test, který lze na kvantovém počítači provést. Jde v podstatě o vstupní bod do světa kvantové nadřazenosti – ověřuje, zda kvantový počítač dokáže něco, co je pro klasické počítače prakticky nemožné.
Graf srovnává časy potřebné k provedení stejného výpočtu na klasickém superpočítači vs. různých kvantových počítačích. Svislá osa v logaritmickém měřítku ukazuje počet let, které by výpočet trval klasickému superpočítači. Foto: Se souhlasem společnosti Google
Výsledky Willow v tomto testu jsou ohromující. Výpočet, který čipu trval méně než pět minut, by současnému nejvýkonnějšímu superpočítači zabral 10^25 let (10 septilionů let). Pro představu – je to číslo, které přesahuje známé časové škály ve fyzice a mnohonásobně převyšuje stáří vesmíru. Tento výsledek podle vědců podporuje teorii, že kvantové výpočty probíhají v mnoha paralelních vesmírech, což je v souladu s myšlenkou multivesmíru, kterou poprvé představil David Deutsch.
Kvalita, nikoliv kvantita
Willow byl vyroben v novém, špičkovém výrobním zařízení Googlu v Santa Barbaře – jednom z mála zařízení na světě postavených speciálně pro tento účel. Čip obsahuje 105 qubitů a dosahuje nejlepších výsledků ve své třídě napříč všemi důležitými metrikami. Například tzv. T1 časy, které měří, jak dlouho mohou qubity udržet excitaci (klíčový kvantový výpočetní zdroj), se nyní blíží 100 mikrosekundám, což představuje přibližně pětinásobné zlepšení oproti předchozí generaci čipů.
Google zdůrazňuje, že se zaměřuje na kvalitu, nikoliv pouze na kvantitu. Samotné zvyšování počtu qubitů totiž nepomůže, pokud nejsou dostatečně kvalitní. Systémové inženýrství je klíčové – všechny komponenty čipu, jako jsou jednoqubitové a dvoučbitové hradla, reset qubitů a čtení, musí být dobře navrženy a integrovány. Pokud jakákoliv komponenta zaostává nebo dvě komponenty spolu dobře nefungují, snižuje to výkon celého systému.
Nové léky i baterie aneb K čemu je to všechno dobré?
Dalším velkým cílem v oboru je předvést první „užitečný výpočet přesahující možnosti klasických počítačů“, který by měl praktické využití v reálném světě. Google je optimistický, že generace čipů Willow může pomoci tohoto cíle dosáhnout. Dosud byly experimenty rozděleny do dvou kategorií – buď šlo o benchmarky jako RCS, které měří výkon proti klasickým počítačům, ale nemají známé praktické využití, nebo o vědecky zajímavé simulace kvantových systémů, které vedly k novým vědeckým objevům, ale stále byly v dosahu klasických počítačů.
Roadmapa ukazuje postupný vývoj kvantových počítačů Googlu – od prvních experimentů až po cíl vytvořit plně funkční kvantový počítač schopný řešit komplexní problémy. Foto: Se souhlasem spolešnosti Google
Potenciální aplikace zahrnují objevování nových léků, navrhování účinnějších baterií pro elektrická auta a urychlení pokroku v oblasti fúzní energie a nových energetických alternativ. Google také vidí významnou synergii mezi kvantovými počítači a umělou inteligencí. Jak vysvětluje zakladatel Google Quantum AI Hartmut Neven, kvantové algoritmy budou nepostradatelné pro shromažďování tréninkových dat nedostupných klasickým strojům, trénování a optimalizaci určitých architektur učení a modelování systémů, kde jsou důležité kvantové efekty.
Vyřešení problému kvantové korekce chyb a demonstrace tak výrazné kvantové nadřazenosti ukazují, že vize prakticky využitelných kvantových počítačů není vzdálenou budoucností, ale reálným cílem pro nadcházející roky. Jsme na prahu nové éry výpočetní techniky, která může zásadně změnit způsob, jakým řešíme nejsložitější problémy lidstva. A podle všeho jsme blíž, než bychom ještě před několika lety čekali.
Zdroj: Google
