Budoucnost kvantových počítačů

V předchozích kapitolách jsme si představili základní elementy, ze kterých by měl být budoucí kvantový počítač sestaven a principy, na nichž by měl být takový počítač založen. Přestože se zdá, že současné technologické problémy zatím nedovolují plně rozvinout potenciál kvantové informatiky, je možné s nadějí prohlásit, že budoucnost kvantových počítačů vypadá slibně. Je vhodné se zde zmínit o konferenci Hot Chips konané v Palo Altu v polovině roku 2000 věnované vývoji v oblasti procesorů. IBM tady představila práci Isaaca Chuanga a jeho skupiny, která od 80.let pracuje v oblasti kvantové informatiky. Na konferenci uvedla jejich 5-qubitový počítač, který pracoval na frekvenci 215 Hz a byl použit pro hledání periody funkce z nám známého Shorova algoritmu. Můžeme se jen domýšlet, jaké principy budou u budoucích kvantových počítačů využity. Nadějně v tomto směru vzhlíží nedávno (2000) objevený efekt tzv. kvantového přízraku (quantum mirage), při němž je na měděné destičce umístěno ve tvaru elipsy 36 atomů kobaltu tvořících tzv. kvantovou hradbu (quantum corral). Tato hradba působí na elektronová mračna v destičce mědi uvnitř elipsy atomů kobaltu. Když byl do jednoho ohniska elipsy umístěn další atom kobaltu, začal interagovat s vlnami elektronů v destičce. Stejně ale elektrony působily na okolí v druhém ohnisku elipsy a vytvářely tam jakousi kopii (přízrak) atomu kobaltu o třetinové intenzitě, přestože tam žádný nebyl předtím umístěn. Není si obtížné přestavit, že tento efekt může mít v principu vliv na přenos informace mezi dvěma místy (například v kvantovém procesoru). Kvantová informatika však pro některé její aplikace nutně nevyžaduje existenci kvantového počítače. Oblasti kvantové teleportace nebo kvantové kryptografie jsou oddělenými částmi kvantové informatiky, které nejsou přímo závislé na existenci kvantového počítače a které lze realizovat současnými technologiemi. Proto se s některými jejich praktickými realizacemi můžeme setkat již dnes. Tento fakt dokládá i následující schéma, které ukazuje, jakým způsobem jsou jednotlivé teoretické oblasti vzájemně provázány.

Je zřejmé, že uskutečnění vize o prakticky použitelném kvantovém algoritmu je svázáno s existencí kvantového počítače. Jeho konstrukce je zatím za hranicí současného technického rozvoje. Je téměř jisté, že první použitelné kvantové počítače budou úzce zaměřeny pouze na jednu konkrétní aplikaci. Sen o univerzálním kvantovém počítači pracujícím neomezeně dlouho se zdá být v tuto chvíli utopií. Hlavním hlediskem stojícím proti univerzálnosti je jev dekoherence, která časově omezuje použitelnost kvantového počítače při výpočtu. V nejistotě se rovněž nacházíme při pokusu o odhad časového horizontu příchodu aplikace, která by rozhodujícím způsobem ohrozila z dnešního pohledu bezpečná kryptoschémata. Pokud ale vezmeme v úvahu, jakého pokroku dosáhla kvantová informatika za posledních několik let (viz tabulka), vypadá budoucnost poměrně optimisticky.

1982: Richard Feynman - navrhl použití kvantových systémů k výpočtům

1984: Charles Bennett a Gilles Brassard - komunikační protokol BB84

1985: David Deutsch - kvantový Turingův stroj

1994: Peter Shor - faktorizační algoritmus

1995: poslána zpráva kvantovým kanálem

1996: Lov Grover - vyhledávací algoritmus

1996: Peter Shor a Andrew Steane - kvantová oprava chyb možná

1997: uskutečněna kvantová teleportace

1999: Richard Huges - iontové pasti s desítkami qubitů

2000: v Los Alamos byl vytvořen 7-qubitový NMR počítač

2000: společnost IBM ohlásila vytvoření 5-qubitového NMR počítače

Vidíme, že v poslední době se zájem ubírá k implementaci kvantových systémů pomocí metody NMR, která se zdá být z technologického hlediska schůdnější než jiné techniky. V tomto smyslu se nedávají velké naděje implementaci pomocí iontových pastí.

V kvantové informatice se dnes také setkáváme s různými kombinacemi a vylepšeními základních návrhů, o nichž byla řeč. Například klasická kryptografie veřejného klíče je existencí Shorova faktorizačního algoritmu jistě ohrožena. Již dnes se ale v rámci kvantové kryptografie veřejného klíče hledají vhodní kandidáti pro kvantově-jednosměrné funkce se zadními vrátky (které jsou jedním směrem klasicky schůdné, kdežto opačným nikoliv), které by nebyly silou kvantových počítačů napadnutelné. Je zřejmé, že problém nalezení takové funkce (a ověření, že se opravdu jedná o požadovanou funkci) je sám o sobě obtížný. Vylepšení se rovněž dočkal komunikační protokol BB84 v podobě verze B92 a později L99 (který vymyslel Hoi-Kwong Lo), z nichž druhý však vyžaduje, aby měly obě komunikační strany kvantový počítač.

Zajímavou oblastí ke studiu je také otázka využití kvantových počítačů k simulaci kvantových systémů, případně k ověřování fyzikálních teorií. Například simulace současných teorií sjednocujících fyzikální interakce by mohla vést k pozoruhodným závěrům. V případě platnosti teorie a její neefektivní simulace kvantovým počítačem by se jako závěr nabízela otázka, zda je kvantový počítač opravdovou hranicí výpočetních možností v přírodě nebo ne. Zatím na tyto a podobné otázky nedovedeme s jistotou odpovědět, ale máme dnes jistě dobrou naději, že se tak v budoucnu, s existencí kvantových počítačů a trochou štěstí, stane.