Úvod do kurzu

Než začneš, vyplň prosím tento krátký dotazník před kurzem, který je důležitý pro zlepšení našich vzdělávacích materiálů a uživatelského zážitku.

Note: This survey is provided by IBM Quantum and relates to the original English content. To give feedback on doQumentation's website, translations, or code execution, please open a GitHub issue.

Klikni níže a poslechni si úvod do kurzu od Olivie Lanes, nebo otevři video v samostatném okně na YouTube.

O tomto kurzu

Vítej v kurzu Kvantové počítání v praxi — kurzu zaměřeném na dnešní kvantové počítače a na to, jak je využít naplno. Pokrývá realistické potenciální případy použití kvantového počítání i osvědčené postupy pro provoz a experimentování s kvantovými procesory s 100 a více qubity.

Kvantová utilita

Je to vzrušující doba pro kvantové počítání. Po mnoha letech teoretického a experimentálního výzkumu a vývoje se kvantové počítače blíží bodu, kdy začnou konkurovat klasickým počítačům a prokáží utilitu.

Utilita není totéž co kvantová výhoda, která označuje situaci, kdy kvantové počítače předčí klasické počítače ve smysluplných úlohách. Klasické počítače mají neuvěřitelný výkon a přizpůsobivost a pravdou je, že kvantové počítače je zatím jednoduše nedokážou překonat. Byli jsme svědky desetiletí pokroků v klasickém výpočetnictví — nejen v hardwaru, ale i v algoritmech pro klasické počítače — a jasně vidíme, že technologie elektronického digitálního počítání radikálně změnila náš svět.

Kvantové počítání se na druhou stranu nachází v jiné fázi svého vývoje. Klade extrémní nároky na naši kontrolu kvantověmechanických systémů a posouvá hranice dnešních technologií — a nelze realisticky očekávat, že tuto novou technologii zvládneme a překonáme klasické výpočetnictví hned od startu. Ale vidíme náznaky, které naznačují, že kvantové počítače začínají být konkurenceschopné s klasickými výpočetními metodami pro vybrané úlohy, což je přirozený krok v technologickém vývoji kvantového počítání, označovaný jako kvantová utilita.

Jak technologie postupuje a jsou vyvíjeny nové metody kvantového počítání, lze rozumně očekávat, že jeho výhody budou stále výraznější — ale to bude nějakou dobu trvat. Jak se to bude dít, pravděpodobně budeme svědky vzájemného soupeření s klasickým výpočetnictvím: budou prováděny kvantové demonstrace a klasické výpočetnictví zareaguje, kvantové počítání opět postoupí a tento vzorec se bude opakovat. A jednoho dne, když výkon kvantového počítače nepůjde klasicky překonat, budeme předpokládat, že jsme byli svědky kvantové výhody — ale ani tehdy si nebudeme jisti! Dokazování výsledků nemožnosti pro klasické počítače je samo o sobě neřešitelně obtížný problém, pokud víme.

Simulace přírody

Klasické simulátory — tedy počítačové programy běžící na klasických počítačích, které simulují fyzikální systémy — dokážou předpovídat chování kvantověmechanických systémů. Ale klasické simulátory nejsou kvantové a nemohou přímo emulovat kvantové systémy. Místo toho používají matematické výpočty k aproximaci kvantového chování. Jak roste velikost simulovaných systémů, dramaticky roste i overhead potřebný k tomuto výpočtu, což omezuje, které kvantové systémy lze klasicky simulovat, jak dlouho simulace trvají a jak přesné jsou výsledky.

Kvantové počítače naproti tomu mohou emulovat kvantové systémy příměji — a výsledkem je, že jejich overhead se s rostoucí velikostí systému škáluje výrazně lépe. To byl ostatně nápad Richarda Feynmana z 80. let, který jako první motivoval zkoumání potenciálu kvantových počítačů. K tomu se vrátíme podrobněji!

Vědci IBM® publikovali v roce 2023 článek, který poprvé ukázal, že kvantový počítač dokáže konkurovat nejmodernějším klasickým technikám pro simulaci konkrétního fyzikálního modelu. Jeho výsledky stále dokážou překonat pokročilé techniky na klasických počítačích — ale překonal algoritmy hrubé síly a zároveň nabídl nový datový bod, se kterým lze porovnávat různé simulační metody (které nejsou přesné a v předpovědích se neshodují).

Zaměření na větší kvantové procesory

Předchozí uživatelé hardwaru IBM Quantum si možná všimli, že menší procesory, které jsme dříve zpřístupňovali veřejnosti, byly odstaveny, aby uvolnily místo větším procesorům (s 100 a více qubity). Tyto menší procesory šlo snadno klasicky simulovat. Ačkoli tedy představovaly veřejně dostupné milníky v postupujícím technologickém vývoji, kvantovou utilitu prokázat nemohly: cokoli, co s nimi šlo provést, šlo stejně snadno provést klasickou simulací.

Kolem 100 qubitů to však již neplatí; kvantové procesory této velikosti již klasicky simulovat nelze. To představuje jakýsi fázový přechod do nové éry technologie kvantového počítání, kde potenciál pro překonání klasického výpočetnictví existuje. Právě zde se IBM rozhodlo soustředit — hledat kvantový výpočetní výkon a směřovat k případné kvantové výhodě.

Vybízíme naše uživatele, aby tato nová zařízení využívali naplno, experimentovali s nimi, posouvali jejich hranice a přenášeli poznatky na příští generaci kvantových procesorů, která je v současnosti vyvíjena. Účelem tohoto kurzu je umožnit ti právě to!

Cílová skupina a cíle kurzu

Tento kurz je pro každého, kdo si klade za cíl vyvíjet nové aplikace pro kvantové počítače, chce rozšířit svou stávající práci v kvantovém počítání nebo se chce naučit, jak využívat kvantové procesory ve svém pracovním postupu. To zahrnuje nejen fyziky a informatiky, ale také inženýry, chemiky, materiálové vědce a kohokoli dalšího, kdo má zájem ovládnout kvantový výpočetní hardware.

Kurz bude praktický a zaměřený na reálné využití kvantových počítačů. Mezi témata a dovednosti, která pokrývá, patří mimo jiné:

• Spouštění úloh v utility měřítku na kvantových procesorech prostřednictvím Qiskit Runtime
• Používání technik zmírnění chyb ke zlepšení výsledků z hardwaru
• Potenciální oblasti aplikací pro krátkodobé kvantové počítače

Tento kurz nepokrývá úvodní teorii kvantového počítání a předpokládá základní znalost qubitů a kvantových obvodů. Kurz Základy kvantové informace na této platformě toto téma pokrývá a je doporučen jako první pro ty, kteří jsou v kvantovém počítání noví.

Příběh výpočtů

Kvantové počítání je vzrušující nová technologie v raném stadiu vývoje — ale je to jen jedna kapitola v příběhu, který sahá tisíce let zpátky. Je to příběh výpočtů a jejich mnohostranných spojení s fyzickým světem.

Výpočetní zařízení od starověku

Od starověku jsme jako lidé potřebovali provádět výpočty — jinými slovy zpracovávat informace podle určitých pravidel a omezení — abychom umožnili komunikaci, stavebnictví, obchod, vědu a další aspekty našich životů. Hledali jsme pomoc ve fyzickém světě a díky důmyslným objevům jsme sestrojili zařízení, která nám s výpočty pomáhají.

Dávno v minulosti ukládala informace a usnadňovala výpočty zařízení vyrobená z dřeva, kostí a uzlovaných provazů. Mechanická zařízení sestavená z pák, ozubených kol a jiných součástek se vyvíjela od raných astronomických hodin přes kalkulačky až po sofistikované výpočetní stroje, jako jsou diferenciální analyzátory řešící rovnice pomocí kol a rotujících disků. Dokonce i technologie písma sehrála v tomto příběhu důležitou roli tím, že umožnila lidem provádět výpočty, které by jinak nedokázali.

Když dnes přemýšlíme o počítačích, máme tendenci myslet na elektronické digitální počítače. Ale to je ve skutečnosti poměrně nedávná technologie: elektronické digitální počítače byly poprvé sestrojeny ve 40. letech 20. století. (Pro srovnání — sumerské počitadlo bylo pravděpodobně vynalezeno někdy mezi lety 2700 a 2300 př. n. l.) Od té doby se technologie dramaticky posunula a počítače jsou dnes všudypřítomné. Najdeme je v domácnostech, na pracovištích i ve vozidlech, která nás mezi nimi přepravují, a mnozí z nás je nosí všude s sebou.

Máme také superpočítače — velké kolekce výkonných klasických procesorů zapojených paralelně. Patří k nejlepším nástrojům, jaké lidstvo kdy vytvořilo k řešení obtížných problémů, a jejich výkon a spolehlivost se neustále zlepšují. Přesto existují důležité výpočetní problémy, které ani tito obři nikdy nedokážou vyřešit, a to kvůli jejich inherentní výpočetní náročnosti.

Spojení s fyzickým světem

Počítače mají mnoho využití. Jedním z důležitých využití počítačů je poznávání fyzického světa a lepší pochopení jeho zákonitostí. Historická využití v této kategorii zahrnovala předpovídání zatmění a přílivů, pochopení pohybu nebeských těles a (v poněkud novější době) modelování výbuchů. Dnes sotva najdeme fyzikální laboratoř na světě bez počítače.

Obecněji řečeno — fyzika a výpočty byly vždy propojeny. Výpočty nemohou existovat ve vzduchoprázdnu: informace potřebují médium a k výpočtům musíme nějakým způsobem využít fyzický svět. Rolf Landauer, počítačový vědec (a pracovník IBM), si před desetiletími uvědomil, že informace je fyzická a existuje pouze prostřednictvím fyzické reprezentace. Landauerův princip ustanovuje spojení mezi informacemi a zákony termodynamiky, ve skutečnosti však existuje mnoho dalších spojení.

Pochopení fyzického světa je cílem fyziky jako vědecké disciplíny, ale ve skutečnosti jde o obousměrný vztah. Díky porozumění fyzickému světu jsme schopni využívat nové technologie, které nám pomáhají počítat, a prostřednictvím nich se dále dozvídáme o fyzickém světě — v podstatě tak vytahujeme fyziku i výpočetní technologii za vlastní tkaničky.

Moorův zákon

Moorův zákon je pozorování, že maximální počet tranzistorů v integrovaném obvodu se přibližně každé 2 roky zdvojnásobí. Během posledních zhruba 5 desetiletí jsme nejen sledovali tento trend, ale také sklízeli jeho plody. S více tranzistory na čipu můžeme provádět složitější výpočty a dělat je rychleji. Proto se počítače postupem času stávají stále výkonnějšími.

Moorův „zákon" však nutně spěje ke svému konci. Odborníci se neshodují na tom, kdy k tomu dojde, a někteří tvrdí, že už se to stalo. Víme ale jistě, že to musí nevyhnutelně nastat, protože existuje teoretická hranice miniaturizace výpočetních součástek. Tranzistor nemůžeme zmenšit na menší než atom! I když to může znít přehnaně, právě k této hranici se přibližujeme.

Řešením není vzdát se a říct: „No, to je tak nejlepší, čeho lze dosáhnout." To je v rozporu s lidskou přirozeností. Místo toho musíme hledat ve fyzickém světě nové výpočetní nástroje — a právě zde přichází na řadu kvantové počítání.

Kvantové počítání

Kvantová mechanika a výpočty

Kvantová mechanika byla objevena na počátku 20. století a již sehrála důležitou roli ve výpočetní technice. Naše porozumění kvantové mechanice totiž zčásti umožnilo vznik dnešních počítačů. Bez kvantové mechaniky si například jen těžko dokážeme představit, že by byl vynalezen pevný disk na principu pevného skupenství.

Kvantové počítání v teorii

Když Richard Feynman v roce 1982 poprvé navrhl koncept kvantového počítače, soustředil se na simulaci kvantově mechanických systémů. Výpočty k tomu potřebné se zdály příliš náročné pro běžné počítače — ale možná by se systémy daly emulovat přímo pomocí počítače, který funguje na základě kvantově mechanického popisu světa.

Dnes je to jedna z nejslibnějších cest kvantového počítání. Podle našeho nejlepšího porozumění příroda není klasická — je kvantová. A tak mohou být kvantové počítače cennými nástroji pro její pochopení. Klasické počítače naproti tomu mohou pouze aproximovat to, co se v přírodě skutečně děje, a v některých případech jsou tyto aproximace velmi omezené.

Jedním ze způsobů, jak o tom přemýšlet, je analogie s větrným tunelem. Dynamika tekutin je notoricky obtížná na simulaci a matematickou předpověď. Například simulace auta jedoucího ve větru je příliš nákladná a nepraktická, takže výrobci automobilů ve skutečnosti budují tunely s dmychaným větrem a testují v nich výkon svých vozů. To znamená, že vítr vytvářejí, místo aby ho simulovali. Stavba kvantového počítače ke studiu fyzického světa je trochu jako stavba větrného tunelu ke studiu toho, jak vítr ovlivňuje auta. Kvantové počítače mohou přímo emulovat zákony přírody na molekulární úrovni, protože samy jednají v souladu s těmito zákony, čímž přírodu emulují, místo aby ji simulovaly pomocí vzorců a výpočtů. Na Feynmanovy myšlenky navázali další — a propojili je s teorií kvantové informace, která již byla ve vývoji. Tak se zrodilo odvětví kvantové informace a výpočtů. Od té doby se rozvinulo v bohatou, multidisciplinární oblast studia a v nejrůznějších teoretických kontextech zahrnujících komunikaci, výpočty a kryptografii bylo identifikováno mnoho výhod kvantového přístupu oproti klasickému.

Kvantové výpočty v praxi

V praktickém smyslu jsou k přenosu těchto teoretických výhod do reálného světa potřeba dvě věci: samotná zařízení a metodiky, které umožní naplno využít jejich potenciál.

Na rozdíl od klasických počítačů si nikdo kvantový počítač nestrkuje do kapsy. Ještě donedávna — pokud sis chtěl/a s kvantovým počítačem pohrát — musel/a sis ho postavit a udržovat sám/sama (zpravidla v neutěšené univerzitní nebo výzkumné laboratoři ve sklepě) a měl/a sis k dispozici jen pár, velmi hlučných qubitů. Ty časy jsou ale pryč. V roce 2016 dal IBM Quantum® první kvantový procesor do cloudu. Měl pouhých 5 qubitů a poměrně vysokou chybovost, ale od té doby jsme ušli dlouhou cestu. Aktuální stav technologie shrneme v níže uvedené části.

Kromě stavby kvantových počítačů je také potřeba vyvíjet metodiky pro jejich efektivní využití. Ačkoli teoretické pokroky v kvantových algoritmech a protokolech naznačují velký potenciál, výzva najít praktické využití pro kvantové výpočty je stále před námi. Dnešní kvantové počítače zatím nedokáží provádět výpočty odolné vůči chybám, které by umožnily přenést známé teoretické výhody do praktických výhod. Jsou ale mimo dosah simulací na klasických počítačích, a toho se můžeme pokusit využít jako zdroje výpočetního výkonu.

S těmito pokroky máme k dispozici nový výpočetní nástroj a jen na nás záleží, co s ním dokážeme.

Potenciální aplikace

Neočekává se, že kvantové výpočty budou užitečné pro studium aerodynamiky aut. Existují ale jiné fyzikální procesy — například ty, které se uplatňují při návrhu baterií nebo v určitých chemických reakcích — kde by schopnost kvantového počítače emulovat přírodu mohla vést ke kvantové výhodě. Obecněji řečeno, existuje mnoho problémů, které jsou příliš náročné nebo nákladné i pro nejmodernější superpočítače, včetně problémů velmi relevantních pro naši společnost. Kvantové výpočty možná nenabídnou řešení pro všechny z nich, ale pro některé ano.

Níže uvedené tři oblasti aplikací představují cíle v oblasti hlučných kvantových výpočtů, ještě před implementací kvantové korekce chyb a odolnosti vůči chybám.

• Optimalizace
• Simulace přírody
• Hledání struktury v datech (včetně strojového učení)

Těmito tématy se budeme podrobněji zabývat později v kurzu.

Stav technologie

Stavba kvantových počítačů je náročná technologická výzva a malé kvantové počítače jsou veřejně dostupné teprve 8 let. Během těchto 8 let jsme pokročili na mnoha frontách.

Prostřednictvím cloudu je nyní dostupných mnoho IBM kvantových procesorů, z nichž všechny mají více než 100 qubitů. Důležitá ale není jen velikost procesorů — to je pouze jedna z metrik, na které nám záleží. Výrazně se zlepšila také kvalita hradel a byly zavedeny metody pro snižování a zmírňování chyb inherentních kvantovým systémům, a to i v době, kdy se tlačíme kupředu k vytvoření systémů odolných vůči chybám. Tři základní metriky — škálovatelnost, kvalita a rychlost — jsou zásadní pro sledování zlepšování výkonu.

• Velikost. Více qubitů je samozřejmě lepší, ale jen tehdy, pokud jejich přibývání nedegraduje výkon (což se stát může). Ve skutečnosti chceme více kvalitních qubitů, které se vzájemně neovlivňují přeslechem tehdy, kdy to nechceme. Důležitý je také způsob, jakým jsou qubity vzájemně propojeny, a přijít na to, jak to udělat nejlépe, představuje výzvu pro supravodivé qubitové obvody.

• Kvalita. Další důležitou metrikou, kterou sledujeme pro hodnocení zlepšování výkonu v čase, je věrnost dvoiqubitových hradel. Hradla pracující na jednom qubitu nejsou tak náchylná k chybám jako dvoiqubitová hradla, která jsou proto větším problémem. (Dvoiqubitová hradla jsou také zásadní, protože jsou zodpovědná za vytváření entanglementu mezi qubity, přičemž se předpokládá, že právě tento fyzikální jev dává kvantovým výpočtům jejich výkon.)

• Rychlost. Na posledním místě je rychlost a efektivita. Stručně řečeno, čas strávený během programu (včetně kvantových i klasických částí) by měl být co nejkratší.

Závěr

Je to opravdu vzrušující doba pro práci v oblasti kvantových výpočtů: poprvé v historii se můžeme začít vydávat do oblasti výpočetnictví, která leží za hranicemi klasické výpočetní techniky.

T. J. Watson kdysi slavně předpověděl, že světový trh vystačí s pouhými několika počítači. Dnes se tomu smějeme — ale přitom musíme uznat, že máme výhodu zpětného pohledu. Měli bychom si také uvědomit, že jako lidé máme obecnou tendenci hrubě podceňovat potenciál budoucích technologií. Teď, když přichází naše chvíle a přebíráme roli průkopníků kvantových výpočtů, bychom to měli mít na paměti.

Kvantové výpočty jsou často stavěny do kontrastu s klasickými výpočty jako něco zásadně odlišného a v přímé konkurenci s nimi. Z širší perspektivy ale můžeme kvantové výpočty vnímat prostě jako další kapitolu v dlouhém příběhu. Je to naše lidská přirozenost — hledat nové způsoby výpočtů a využívat sílu, kterou nám přirozený svět nabízí. Děláme to staletí. Kvantové výpočty nám v tomto úsilí nabízejí nový nástroj a jen na nás záleží, jak dokážeme využít sílu, kterou nám poskytují.