Zkratka napříč časem

Kvantové počítání je fascinující téma. Možná je to jen sen, slepá ulička. Možná je to jen teorie a ukáže se, že problémy s konstrukcí funkčního kvantového počítače jsou nepřekonatelné. Možná je to ale skutečně začátek éry nových, neuvěřitelně výkonných počítačů.

S tím, jak se čipy budou dále a dále zmenšovat, budou v jejich funkci hrát důležitější a důležitější roli kvantové jevy. Další miniutarizace naráží na bariéru „kvantové neurčitosti“. To se však paradoxně může stát podstatnou výhodou. Součástky takového čipu, to jsou vlastně již jednotlivé atomy. A jejich stavy nejsou jen to, co bychom v digitálním jazyku označovali jako nuly a jedničky. Kvantový přepínač může být nejen zapnutý či vypnutý, může být zapnutý a vypnutý současně – nacházet se ve stavu superpozice příslušných dvou stavů. Jeden výpočet s využitím takového „atomového“ čipu tak vlastně odpovídá celé sérii paralelně prováděných výpočtů se všemi možnými vstupy různých souborů nul a jedniček. To je kvantový paralelizmus, který je základem účinnosti kvantového počítače.

Vysvětlit tohle srozumitelně i laikům, pro které je kvantová mechanika bizarním světem, v němž se atomy mohou „nacházet současně na dvou různých místech“, není lehký úkol. George Johnson si toho je plně vědom. Uvědomuje si, že je prostředníkem mezi vědcem, který má tendenci „upřesňovat každou druhou větu rovnicemi a poznámkami pod čarou“, a čtenářem, který vás ponouká, abyste se „soustředili na podstatné a pokračovali v příběhu“. Nezbývá mu než nahradit rovnici metaforou. Dělá to však obratně, své metafory neustále zpřesňuje a daří se mu tak, podle mého soudu, celkem dobře vystihnout podstatu kvantové superpozice, propletení (entaglement) kvantových stavů, kolapsu vlnového balíku a jiných kvantových kouzel, která jsou pro vysvětlení principu kvantových počítačů podstatná.

Autor se nezastavuje u vysvětlení kvantového paralelizmu. Ukazuje také, jak těžké bude „číst výsledky“ kvantového výpočtu. Nedostaneme soubor výsledků oněch paralelně provedených výpočtů, ale – jako v důsledku kvantového kolapsu – jen jeden náhodně vybraný výsledek. Jak z toho získat nějakou smysluplnou informaci? To ukazuje na příkladu Shorova algoritmu pro faktorizaci velkých čísel. Právě nalezení tohoto algoritmu, který by mohl být v principu použit k „odšifrování“ běžně používaných kódovacích programů, bylo klíčovým momentem, který ukázal potenciál kvantového počítání.

Pokud jde o stavbu opravdového kvantového počítače, autor se zmiňuje o několika slibných možnostech. Ať už jde o hradla využívající izolované ionty, nukleární magnetickou rezonanci, fotony uvězněné v dutině (dutinovou kvantovou elektrodynamiku) či zařízení využívající jednotlivé atomy v pevné látce (techniku „kvantových teček“), jsou to vše jen začátky a není jasné, jaký princip nakonec povede k fungujícímu počítači.

Ať už to dopadne jakkoliv, výsledný přístroj bude vždy náchylný k chybám, které jsou v důsledku kvantové dekoherence zcela nevyhnutelné. Nelze využít metody běžné u klasických počítačů, prostého vícenásobného zopakování zprávy či výpočtu, které chceme ochránit před chybou. To souvisí s nemožností kopírovat kvantovou informaci – další z bizarností kvantového světa. Řešení – stabilizace kvantových výpočtů – však existuje. Je založené na „propletenosti“ kvantových stavů a k jeho vysvětlení si autor zase pomáhá vhodně zvolenými analogiemi.

Skvělé jsou kapitoly o kvantové kryptografii, kde jsme k realizaci fungujících zařízení asi nejblíž. Čtenář ještě jednou, z jiné strany, nahlédne na kvantovou superpozici a propletené stavy v akci.

Autor si dal za úkol napsat krátkou knihu, která by čtenáře uvedla do kvantového počítání. Jeho záměrem však také bylo nechat nás nahlédnout do jeho tápání „o uchopení ideje pomocí nepřesné metafory, jen aby ji hned nato odvrhl ve prospěch jiné, výstižnější“. Nahlédneme tak do kvantového světa, ale současně pochopíme, na jaké hranice narážíme při převedení hlavních myšlenek do klasického jazyka.