Jsme na prahu další počítačové revoluce? Ano

Prakticky každým dnem jsme svědky další miniaturizace nejrůznějších zařízení za současného navyšování jejich výkonu. Moorův zákon praví, že počet tranzistorů, umístitelných na čtvereční palec integrovaných obvodů, se každoročně zdvojnásobí. Jsou zde nicméně určité fyzikální limity, které nelze překročit, což znamená, že miniaturizace tímto způsobem není možná donekonečna.

Jedinou možností bude tedy někdy v budoucnu přechod na naprosto novou počítačovou technologii. Dobrou zprávou je, že tato technologie byla již v teoretické rovině podrobně rozpracována a v rovině praktické poslední dobou přibývá stále větší počet úspěšných experimentů, které by mohly ve finále tuto technologii zhmotnit. Jedná se o kvantové počítače.

Počítačová revoluce

Před tím, než budeme pokračovat, stojí za to alespoň naznačit, co to vlastně tranzistor je. Tranzistor je polovodičovou součástkou, která je základním stavebním prvkem všech moderních elektronických zařízení. Tranzistor funguje v nejrůznějších mikročipech. Jeho skvělou vlastností je, že má dvě polohy -vypnuto a zapnuto.

Buďto jím elektrický proud protéká (to znamená, že je tranzistor v poloze zapnuto neboli binárně řečeno v poloze 1), anebo jím neprotéká (pak je tranzistor v poloze vypnuto neboli v poloze 0). Tranzistory jsou vzájemně propojeny a následně čteny, v jaké poloze se nachází každý z nich.

Kombinací miliónů těchto poloh představuje způsob, jakým dnešní počítače „myslí“ a dělají vše, od zobrazování těchto řádků až po výpočet těch nejsložitějších rovnic. Jedničky a nuly také souvisejí s uchováváním čili ukládáním informací. A právě série 1 a 0 se nazývá bit.

Čím více tranzistorů se vejde na určitý integrovaný obvod, tím komplexnější výpočty zvládá a tím větším výkonem disponuje. Čili je mimořádně praktické, když se tranzistory postupem času stávají menší a menší, jelikož se jich vleze na každý integrovaný obvod stále větší počet.

Praktickým problémem pokračující miniaturizace křemíkových tranzistorů je, že od určité velikosti (momentálně od cca 7 nanometrů), se začne projevovat fenomén zvaný kvantové tunelování (quantum tunneling). Tranzistor pak už elektron při průchodu nezastaví, a to je problém.

Jelikož je tranzistor příliš malý, elektron si skrz něj jednoduše prorazí cestu. V praxi to pak znamená, že je takový tranzistor stále v poloze zapnuto čili 1, což znamená, že je pro jakýkoli výpočet k ničemu.

Konec éry běžných počítačových čipů

Miniaturizace polovodičových tranzistorů nicméně dál pokračuje. Experimentuje se totiž s jinými materiály než je křemík (například s uhlíkovými nanotrubicemi, disulfidem molybdenu apod.). Podařilo se dokonce laboratorně vytvořit fungující tranzistory rozměrem okolo 1 nanometru.

Nicméně od laboratorních výsledků do skutečné praxe vede dlouhá cesta. A navíc, problém fyzikálních limitů miniaturizace by se tímto nevyřešil, jen by se odsunul na pozdější termín. Lobbistické uskupení známých technologických gigantů Semiconductor Industry Association, které sdružuje korporace jako Intel Corp. (INTC), Advanced Micro Devices Inc. (AMD), International Business Machines Corp. (IBM) a Western Digital Inc. (WDC) dospělo k závěru, že od roku 2021 už nebude mít další miniaturizace vliv na ekonomický zisk.

Proto je nabíledni, že místo pokračujícího zmenšování tranzistorů by se mohlo spíše vyplatit vyrobit jich větší počet či vytvořit z nich určité specializované skupiny pro určitý typ operací. Tímto postupem by šlo dále zvýšit výkon počítače, aniž by se zmenšovala velikost jeho komponent.

Specializace určitým směrem se projevuje poslední dobou tak, že například Nvidia Corp. (NVDA) prodává čipy specializované na umělou inteligenci, Intel před nedávnem pohltil firmu Mobileye a cílí na technologie vidění apod.

Kvantové počítače

Co je tak jedinečného na kvantových počítačích? V dnes běžné elektronice je počítačová paměť tvořena kombinací dvou stavů – jedniček a nul. V kvantových počítačích by ale kvantový bit (či qubit) mohl mít obě hodnoty namíchány současně, nicméně v proměnlivém množství. Existuje pro to už i termín – kvantová superpozice. Tyto všudypřítomné stavy každého qubitu jsou používány při komplexních výpočtech, které čtou jako běžné bity: 0 a 1.

Jelikož qubity mohou obsahovat více informací než běžné bity, znamená to, že kvantové počítače jsou schopny zpracovávat daleko větší objemy informací než běžná zařízení. Ze čtyř bitů lze sice udělat 16 kombinací, nicméně vždy jen jednu v určitém časovém bodě.

Kvantová superpozice čtyř qubitů ovšem znamená možnost kalkulovat se všemi 16 kombinacemi najednou. Z toho plyne, že čtyři qubity se svými možnostmi rovnají 65,5 tisícům běžných bitů. No a obdobným způsobem se dopočítáme toho, že 300 qubitů se rovná odhadovanému počtu všech částic ve vesmíru.

Zkrátka, s každým dalším sestrojením kvantového počítače s výkonem o jeden qubit vyšším budeme svědky exponenciálního nárůstu jeho výpočetního výkonu. Když už teď víme, jaký výkon qubity mohou do světa počítačových technologií přinést, pak vězme, že před několika málo týdny experimentální fyzik a profesor z Harvardu, Michail Lukin.

Během letošní Mezinárodní konference o kvantových technologiích oznámil, že se jeho vědeckému týmu úspěšně podařilo sestrojit kvantový počítač o výkonu 51 qubitů. To ze zmiňovaného vědeckého týmu rázem dělá dosud nejúspěšnější počin v rámci právě běsnící kvantové horečky. Těmto vědcům totiž šlape na paty divize Google Alphabet (GOOG, GOOGL) se svým kvantovým počítačem o výkonu 49 qubitů.

Počítače budoucnosti

Přinesou kvantové počítače lepší grafiku u her či ještě lepší rozlišení u televizorů? V tuto chvíli to vypadá, že asi ne. Kvantové počítače totiž (zatím) neplivou výsledky rychleji než dnes superpočítače, ale jejich obrovskou výhodou je, že na rozdíl od běžných počítačů jsou schopny se dopracovat k určitému výsledku skrze menší počet dílčích kroků.

Tato vlastnost se však stává výhodou tím spíše, čím je složitější zadání. V praxi to tedy znamená, že běžné počítače mají v případě obvyklých, jednoduchých operacích oproti kvantovým počítačům navrch. Kvantové počítače by nicméně neměly konkurenci v oblastech jako jsou  výpočty komplexních simulací, kryptografie, spravování gigantických databází, provádění mnohaúrovňových kalkulací apod.

V těchto případech by navíc nehrozilo naražení na fyzikální limity, jako je quantum tunneling v případě pokračující miniaturizace současných tranzistorů. Proto pilně čtěme letáky, ať víme, kdy budou první kvantové počítače v akci.