V poslední době se kvantové počítače stávají čím dál tím větším trendem, ačkoli doma takový stroj, kromě firem jako IBM nebo Google, zřejmě nemá nikdo. Jak kolem sebe můžeme vidět, o kvantových počítačích se stále více hovoří v souvislosti s jejich extrémní výpočetní silou. Jen málo lidí ale pořádně ví, jaké implikace by kvantové počítače mohli do životů běžných smrtelníků přinést.
Pro stručné shrnutí myšlenka kvantových počítačů poprvé vznikla už v 80. letech minulého století, kdy fyzik Richard Feynman představil koncept počítačů založených na principech kvantové mechaniky. Tento revoluční nápad sliboval řešení složitých problémů mnohem rychleji, než to dokážou dnešní klasické počítače. Jak ale kvantové počítače vůbec fungují?
Kvantová superpozice a qubity
Kvantové počítače využívají tzv. kvantové bity, neboli qubity, které se mohou nacházet ve více stavech najednou. To v jakém stavu se nachází, zjistíme až tehdy, kdy provedeme pozorování. Tomuto jevu se říká kvantová superpozice. V praxi si to můžete představit jako kdyby vás hledal váš kamarád. Pochopitelně můžete být naprosto kdekoli, kamarád tedy každému místu předělí pravděpodobnost, s jakou vás na místě najde – například kavárna může mít 60 %, park 20 % apod. Jakmile vás kamarád půjde hledat, tj. provede pozorování, na jednom z těchto míst vás najde.
Podobně i qubity (kvantové informační jednotky) se mohou nacházet ve stavech superpozice mezi 0 a 1 (na rozdíl od klasického bitu, který může být buď 0, nebo 1). To, v jakém konkrétním stavu se qubit nachází, zjistíte až tehdy, když provedete měření. Pro představu, 10 qubitů může reprezentovat 2^10 stavů klasických bitů – to je 1 024 stavů (bit má stav buď 1 nebo 0). Číslo navíc roste exponenciálně, 20 qubitů může reprezentovat 2^20 stavů, tedy 1 048 576 stavů klasických bitů.
Obrázek 1 – DALL-E 3: Digitální zámek od kyberprostoru
Kvantová provázanost
Dalším klíčovým prvkem je kvantová provázanost, která umožňuje okamžitou komunikaci mezi qubity na velké vzdálenosti (klidně i tisíce kilometrů). Tyto vlastnosti dávají kvantovým počítačům ohromný potenciál v oblastech, jako je simulace molekul pro lékařský výzkum, optimalizace složitých systémů, šifrování a analýza velkých dat. Zkrátka kvantové počítače se využijí tam, kde je zapotřebí vypočítat velmi složitá matematická úloha – například mocnění nebo faktorizaci.
Výzvy kvantových počítačů
I přes jejich obrovský potenciál čelí kvantové počítače zásadním výzvám. Jednou z největších je udržení stability qubitů, které jsou extrémně citlivé na vnější rušení a mohou snadno ztratit své kvantové stavy, což vede k chybám ve výpočtech. Těmito rušeními mohou být jiné částice, které procházejí skrze hmotu (například neutrina), nebo magnetické pole či elektromagnetické záření. V praxi se pro uchování stability qubitů používá vakuum (prostor bez téměř jakýchkoliv částic), teplota blízká absolutní nule (-273,15 °C), nebo stínění proti magnetickým polím.
To ale není všechno, další výzvou je efektivní přenos kvantové informace mezi qubity, což je nezbytné pro složité výpočty a komunikaci v kvantových sítích. Už jenom z těchto důvodů je zřejmé, že kvantový počítač si doma jen tak někdo nepostaví. A i kdyby se to náhodou někomu povedlo, pro běžné pracovní či zábavní činnost by byl kvantový počítač nepoužitelný. Proč? Protože způsob, jímž kvantový počítač operuje, je zcela odlišný od toho, co vyžadují dnešní aplikace od vyhledávačů, her, grafických/programovacích editorů až po streamovací služby, jako je Netflix nebo HBO.
Obrázek 2 – DALL-E 3: Obvodová futuristická deska
Na kvantovém počítači se na Netflix nepodíváte…
Jak jsem říkal, kvantový počítač je skvělý na počítání extrémně složitých výpočetních úloh. To, co by běžnému počítači trvalo milióny let, by kvantovému počítači zabralo pár sekund – bavíme se například o hádání hesla. Takový Netflix ale bude naopak potřebovat spoustu jednoduchých výpočtů na vašich grafické kartě, aby vypočítala hodnotu každého pixelu na monitoru, které dohromady dají obraz. Netřeba zmiňovat, že současný software není optimalizován na architekturu kvantových počítačů.
Fonony: Klíč k překonání výzev
Nyní, když jsme si vysvětlili základy kvantových počítačů, podívejme se na nový objev publikovaný vědci z Tokijské univerzity v časopise ACS Nano. Tito vědci vyvinuli nový genetický algoritmus, který pomáhá navrhovat speciální materiály zvané fononické krystaly. Tyto krystaly umí řídit zvukové vlny v materiálech podle potřebných vlastností.
Fonony, což jsou vibrace atomů v materiálu, mohou zlepšit komunikaci mezi qubity v kvantových počítačích a poskytnout spolehlivější přenos informací. To zvyšuje stabilitu a efektivitu kvantových počítačů. Vědci nyní používají genetické algoritmy k vytvoření těchto speciálních krystalů, které mají unikátní vibrační vlastnosti a mohou výrazně zlepšit výkon kvantových počítačů.
„Pokroky v umělé inteligenci a návrhu materiálů nám umožňují objevovat nové struktury s jedinečnými vlastnostmi,“ vysvětluje hlavní autor studie Michele Diego.
Jak fungují genetické algoritmy
Genetické algoritmy pracují podobně jako přírodní výběr. Používají simulace k opakovanému testování navržených řešení. Nejlepší řešení předávají své vlastnosti, nebo ‚geny‘, do další generace algoritmů. Zařízení vytvořená touto metodou byla testována pomocí světelných experimentů, aby se prokázala jejich účinnost.
Praktické aplikace a budoucí aplikace
Vědci dokázali měřit vibrace na dvourozměrném fononickém ‚metakrystalu‘, který má uspořádání menších jednotek. Tento materiál umožňuje vibrace podél jedné osy, ale ne podél druhé, což je ideální pro zaměřování zvukových vln nebo vlnovody.
„Rozšířením hledání optimalizovaných struktur s komplexními tvary můžeme rychle a automaticky navrhnout zařízení s přesnou kontrolou zvukových vln,“ říká hlavní autor Masahiro Nomura. U tohoto přístupu se očekává, že by mohl být použit u zařízení v kvantových počítačích, smartphonech a dalších moderních technologiích.
No a co z toho vyplývá? Díky možnosti kontrolovat a stabilizovat vibrace kolem qubitů se zlepšuje jejich stabilita. Stabilní qubity jsou méně náchylné k chybám, což zvyšuje spolehlivost kvantových výpočtů. Kromě toho lepší kontrola vibrací také znamená efektivnější přenos informací mezi qubity. To je klíčové pro provádění složitých výpočtů a zlepšuje celkový výkon kvantového počítače.
Obrázek 3 – DALL-E 3: Kvantová DNA
Závěr
Výzkum naznačuje, že genetické algoritmy mohou zásadně změnit vývoj materiálů pro zvukové vlny a významně přispět k pokroku v kvantových počítačích a komunikačních technologiích. Tato studie otevírá nové možnosti pro návrh a výrobu specializovaných zařízení, která by byla mimo dosah tradičních metod, a tím posouvá hranice technologie do nových dimenzí. Tak uvidíme, co z toho v budoucnu bude.
Shrnutí
- Vědci využili genetický algoritmus k návrhu fononických nanomateriálů, které reagují na světelné pulzy kontrolovanými vibracemi.
- Fonony mohou zlepšit stabilitu a komunikaci v kvantových počítačích.
- Nanofononické materiály jsou klíčové pro budoucí kvantové sítě a komunikační zařízení.
- Genetické algoritmy umožňují rychlý a automatický návrh zařízení s přesnou kontrolou akustických vln.
Zdroj:
- ScienceDaily. (2024e, July 3). A genetic algorithm for Phononic Crystals. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240703131750.htm
