0

Nejvyssí počítač

Osobní počítač, který mám na stole, je několiksetkrát rychlejsí a má několiktisíckrát více paměti, než měl centrální počítač, který v dobách, kdy jsem studoval, obsluhoval celou univerzitu. Pokrok v oblasti výpočetní a paměťové kapacity počítačů bude pokračovat tak dlouho, dokud se mu svými omezeními nepostaví zákony fyziky. Atom koneckonců nerozstěpís a rychlost světla nepřekročís.

Představme si výpočetní techniku, která se jednou k těmto hranicím přiblíží. K tomu si představme, že by se každičká hvězda v pozorovatelném vesmíru dala nějak přeměnit v počítač tohoto nejvyssího druhu. To by byla pěkná řádka velmi rychlých počítačů. A kdyby se daly spojit dohromady, vznikl by vlastně jeden obrovský paralelní počítač: nazvěme jej ,,vsudypřítomným počítačem``.

 1972 Hoover Dam

Trump and the End of the West?

As the US president-elect fills his administration, the direction of American policy is coming into focus. Project Syndicate contributors interpret what’s on the horizon.

Ovsem, k některým úkolům - například k psaní textů - by tento fiktivní superpočítač nebyl o mnoho užitečnějsí něž kterýkoli z jeho dílčích počítačů pracujících samostatně. Ale pokud jde o velké, opakující se úkoly prováděné metodou pokusu a omylu, například desifrování rozsáhlých kódů, byly by rychlost a výkon tohoto integrovaného ,,vsudypřítomného počítače`` nezměrně vyssí než cokoli, co jsme dnes schopni zkonstruovat. Souhlasíte?

Zapamatujte si tuhle vizi.

Kvantová teorie - odvětví fyziky, jež se zabývá elementárními částicemi a mikroskopickými vlastnostmi hmoty - dala lidstvu nahlédnout do hloubky tajů přírody a popsala celou řadu překvapujících jevů, vzpírajících se nasemu chápání. Kvantová teorie například tvrdí, že elementární částice nejsou v jednu chvíli na jednom místě, ale že se najednou pohybují v několika dráhách.

Není sporu o tom, že kdybychom kvantové jevy dokázali spoutat a využít, doslo by v informačních technologiích k revoluci. Otevřely by se nám takové možnosti počítačového zpracování informací, kterými dnes žádný počítač nedisponuje ani teoreticky. K úkolům, pro něž by kvantová výpočetní technologie byla zvlásť vhodná, patří tzv. algoritmické vyhledávání. Algoritmické vyhledávání je vlastně takové poslední útočistě programátorů, jak najít matematickou jehlu v kupce sena: zadají počítači, aby vyzkousel každou možnou odpověď, dokud nenajde tu správnou.

Prostředky, jež jsou k takovému hledání zapotřebí, pochopitelně závisí na tom, kolik možných odpovědí existuje: i selce dojde, že k vyzkousení tisíce možností je potřeba o tisíc operací více než při zkousení možnosti jediné. K vyzkousení milionu takových možností je pak logicky zapotřebí operací milion.

Na elementární fyziku je ale běžný selský rozum krátký. V roce 1996 objevil počítačový vědec Lov Grover kvantový algoritmus - tedy cestu, jak naprogramovat kvantový počítač -, který umí prozkouset milion možností za pouhý tisícinásobek času potřebného k prozkousení jedné možnosti a bilion možností za pouhý miliontinásobek času potřebného k prozkousení jedné možnosti a tak dále - donekonečna.

Co by se dělo uvnitř kvantového počítače během algoritmického vyhledávání? Holá pravda je taková, že větsinu vědců tato otázka uvádí do rozpaků. Mnohdy místo otevřeného vysvětlování kvantových jevů chodí kolem horké kase a někdy dokonce raději svedou hovor jinam. Pravda, kvantové jevy nelze sledovat přímo. Jejich existenci a vlastnosti vsak můžeme odvodit na základě měření jejich působení na předměty, které sledovat lze. Živé dinosaury jsme taky nikdy na vlastní oči neviděli, a přesto víme, že existovali a jak žili - a to díky zkamenělým důkazům.

Stále více vědců, mě v to počítaje, se hlásí k té interpretaci kvantové mechaniky, která předpokládá více ,,světů``. Usoudili jsme, že to, co pozorujeme jako jednu částici, je ve skutečnosti jedna z nespočetných podobných celků v jiných světech, které se téměř nepozorovatelně vzájemně ovlivňují tzv. kvantovou interferencí. Kvantové výpočty pro nás nejsou žádná záhada, jen div.

Kvantové výpočty jsou dle tohoto názoru možné proto, že kvantový počítač provádí obrovská množství oddělených početních úkonů v různých světech a jejich výsledky pak sdílí prostřednictvím kvantové interference. Tento jev popisují krok za krokem rovnice kvantové teorie. Ale právě proto, že toto sdílení informací je možné jen a pouze prostřednictvím kvantové interference, stejné rovnice rovněž drasticky omezují typy úloh, jež by kvantové počty měly být schopny vypracovat či zrychlit. Například přímá komunikace mezi světy v rámci kvantové teorie je zcela vyloučena.

V současné době víme vlastně jen o hrstce potenciálně užitečných kvantových algoritmů. Jedním z nich je i Groverův algoritmus. Dalsí známé kvantové algoritmy budou bez problémů umět rozbít současné nejběžněji používané sifrovací systémy. V laboratořích se shodou okolností už dnes běžně používají kryptografické systémy na bází kvantových výpočtů, jež jsou první předzvěstí komunikačních technologií, které jsou jak dokonale bezpečné - dokonce i proti kvantovému útoku - tak imunní vůči budoucímu rozvoji v matematice či technologiích.

Fake news or real views Learn More

Kvantové sifrování lze v praxi využít snadno. Bohužel ale zatím nemáme tak výkonné počítače, aby na nich mohly běžet i jiné užitečné kvantové algoritmy. Sestrojení takových výkonných kvantových počítačů je pro přístích několik desetiletí velkou vědeckou i technologickou výzvou. Teoretičtí fyzikové ovsem už dnes vědí, kolik různých součástí takový kvantový počítač potřebuje, i to, jak složité tyto součástí musí být. Je až neuvěřitelné, že v podstatě stačí jakákoli interakce mezi dvěma celky, např. atomy či elementárními částicemi, jež jsou nositeli informací. Fyzik Seth Lloyd k tomu poznamenal: ,,Počítačem může být téměř cokoli, pokud na to správně posvítíte.``

Dlouho se mělo za to, že simulovat chování jakékoli jiného skupenství zvládne jediný druh stroje, bude-li mít dostatek času a paměti. Vychází najevo, že stávající počítače, dokonce ani onen ,,vsudypřítomný počítač``, k tomuto druhu nepatří. Vsestranný kvantový počítač vsak možná ano. V kvantové fyzice je tato ,,výpočetní univerzalita`` součástí podstaty veskeré hmoty - a tudíž srozumitelnosti přírody. Žádné jiné odvětví fyziky se nezaobírá vzájemným působením teorie, experimentu, technologie a filozofie tak obsáhle jako právě kvantová fyzika. Není zkrátka jiného vědního oboru, jenž by měl na nase budoucí poznávání a chápání světa a vesmíru větsí a významnějsí dopad.