Deň Q
Deň Q
Mediálne titulky a správy z oblasti kvantového počítania často vyvolávajú pocit, že už zajtra môže nastať bezpečnostný kolaps internetu, že čoskoro objavíme nové lieky a supermateriály, ale aj presvedčenie, že toto nikdy fungovať nebude.
Ako to už býva, konkrétne posolstvo a jeho dôveryhodnosť závisia od autora. V každom prípade je potrebné brať podobné tvrdenia s rezervou. Uvedené príklady určite nie sú správnou interpretáciou súčasného stavu ani očakávaní blízkej budúcnosti. Kvantové počítače majú potenciál zmeniť svet a spoločnosť, no konkrétna forma môže byť prekvapením.
Áno, kvantové algoritmy sú hrozbou pre dnes používané kryptografické metódy. Súčasťou prípravy na deň Q, keď plne funkčný kvantový počítač bude realitou, je zmena používaných kryptosystémov. Ak túto prípravu nepodceníme, primárnou úlohou kvantových počítačov nebude lámať dnešné šifry. Tie sa totiž už nebudú používať. Čo teda budú kvantové počítače robiť? Nechajme sa prekvapiť. Môžeme sa však pokúsiť opísať, čo robia už dnes.
Počuli ste, že...
… v roku 2019 Google oznámil svetu kvantovú nadvládu? Investície a záujem okamžite vystrelili. Na 53-qubitovom kvantovom čipe Sycamore založenom na supravodivej technológii predstavil Google svetu 200-sekundový kvantový výpočet, ktorý mal najlepšiemu superpočítaču trvať 10-tisíc rokov.
IBM reagovalo analýzou, ktorá ukazovala, že výpočet bude trvať len týždne. Čínski výskumníci v roku 2021 implementovali algoritmus založený na metóde tenzorových sietí. Výpočet sa uskutočnil na výpočtovom klastri 512 grafických kariet a trval 15 hodín. Odhadli, že ten istý výpočet by na moderných superpočítačoch trval desiatky sekúnd, čo je už menej ako na kvantovom čipe Sycamore. V tomto prípade to s nadvládou nevyšlo, no presne takto funguje výskum. Prehodnocuje a spochybňuje fakty, pomenúva chyby a, keď treba, opravuje tvrdenia.
Asi ste nepočuli, že...
… na konci roku 2023 samotný Google oznámil, že simulácia Sycamore by na superpočítači Frontier trvala šesť sekúnd. Súčasne však ukázal 67-qubitový výpočet tej istej úlohy (random circuit sampling, vzorkovanie z náhodných kvantových obvodov), ktorý by na tomto superpočítači trval roky, čím opätovne deklaroval kvantovú nadvládu.
Medzitým v roku 2020 na univerzite v čínskom Hefei pomocou 76 fotónov (fotonický kvantový počítač Jiuzhang) vypočítali za 200 sekúnd inú úlohu (Gaussian boson sampling, vzorkovanie z gaussovskej distribúcie bozónov), ktorej výpočet na superpočítači odhadli na miliardu rokov. V roku 2023 sa podarilo tento čas stiahnuť na deväť minút (Jiuzhang zostáva lepší) a nekvantovú simuláciu úspešne vykonať.
Nie je vylúčené, že niekto vymyslí algoritmus, ktorý konkrétnu kvantovú nadvládu pre výpočtové systémy stoviek qubitov zredukuje. Kvantový počítač však nakoniec bude v nejakej úlohe dominovať, pretože efektívne simulovať zložité kvantové systémy a procesy jednoducho nie je možné. Dosiahnutie nadvlády však neznamená praktickú užitočnosť ani hrozbu pre súčasné kryptosystémy.
Vedeli ste, že...
… v októbri 2025 spoločnosť Oxford Ionics (člen IonQ) zrealizovala dvojqubitové hradlo s presnosťou 99,99 %, čím zlepšila svoj vlastný svetový rekord vo funkcionalite dvojqubitového hradla? Ide o ľahko prehliadnuteľnú informáciu, v skutočnosti
však môže byť dôležitejšia ako bombastická nadvláda. Dosiahnutá presnosť je pre kvantové počítanie kľúčová, pretože otvára cestu ku kvantovým počítačom odolným proti chybám.
Počty qubitov bez určenia ich kvality nie sú všetko. V dôsledku šumu kvalita kvantových výpočtov so zväčšujúcim sa množstvom qubitov a zvyšujúcim sa počtom operácií veľmi rýchlo degraduje. Dosiahnutá presnosť 99,99 % dáva nádej, že máme kvantový systém (ióny v pasci) v režime, v ktorom kvantová oprava chýb môže prakticky fungovať.
Asi ste nevedeli, že...
… je dôležité rozlišovať medzi počtom fyzikálnych qubitov – kvantovo dvojstavových fyzikálnych systémov (fotónov, atómov, iónov, supravodivých tranzmónov a pod.), ktoré majú ambíciu vykonávať výpočty, a počtom logických qubitov, ktoré obsahujú plnohodnotnú kvantovú informáciu a zúčastňujú sa kvantových algoritmov. Logický qubit je typicky tvorený viacerými fyzikálnymi qubitmi, ktoré v procese výpočtu spoločne bojujú s chybovosťou kvantových hradiel, kvantovou dekoherenciou a chránia v nich procesovanú hodnotu logických qubitov.
V prípade supravodivých kvantových čipov dnes hovoríme o tisícoch qubitov (napr. čip IBM Condor má 1 121 qubitov alebo D-Wave Advantage2 má 4 400 qubitov). Logických qubitov sú však len jednotky a ešte vždy sú chybové. Čip Googlu Willow na konci roku 2024 nielen demonštroval nadvládu, ale najmä vôbec prvýkrát dosiahol pozitívnu opravu chýb pre jeden logický qubit. Jeho 101 qubitov s 99,67 % presnosťou dvojqubitových hradiel dokáže pomocou opravy chýb fungovať ako jeden logický qubit. Možno to nie je na palcové titulky, no pre supravodivé kvantové zariadenia ide o naozaj dôležitý míľnik.
Iónový kvantový procesor Helios vyrobený v roku 2025 pracuje s 98 qubitmi (katióny bária) a dvojqubitovými hradlami fungujúcimi s presnosťou 99,921 %. Vďaka tomu vie vytvoriť až 48 logických qubitov. Helios je aktuálne najsilnejšou kvantovou výpočtovou infraštruktúrou.
99,9 % vs 99,99 %. Graf ukazuje vzťah medzi počtom fyzických a logických qubitov v závislosti od presnosti implementácie.
Pochopili sme, že...
… kvantová nadvláda už nie je cieľom a považuje sa za dosiahnutú. Pod kvantovou nadvládou rozumieme akýkoľvek prípad, keď nedokážeme existujúci klasický počítač použiť takým spôsobom, aby konkrétny výpočet vykonal rýchlejšie než existujúci kvantový počítač. Takýchto príkladov máme niekoľko. Niektoré možno časom neobstoja, no pribúdajú ďalšie. Poučení vývojom sme zjemnili rétoriku a namiesto kvantovej nadvlády častejšie hovoríme o kvantovej výhode. Cieľom je kvantový výpočet, ktorého výsledok naozaj nevieme získať simuláciami bez kvantového počítača.
… výpočtová zložitosť simulácií zašumených kvantových počítačov nie je v triede problémov, ktoré považujeme za exponenciálne zložité. V roku 2022 Dorit Aharonovová, Xun Gao, Zeph Landau, Yunchao Liu a Umesh Vazirani prišli s polynomiálnym algoritmom pre samplovanie (vzorkovanie) z pravdepodobnostnej distribúcie, ktorá je výsledkom zašumeného náhodného kvantového obvodu. Z tohto pohľadu je snaha o random sampling circuits na kvantových počítačoch zdanlivo zbytočná.
Podobné algoritmy však neznamenajú, že kvantová výhoda neexistuje. Pri výpočtovej zložitosti nie je podstatný rozdiel medzi použitím procesorov (CPU) a grafických kariet (GPU). Napriek tomu GPU výrazne zrýchľujú riešenie niektorých úloh a superpočítače sú postavené najmä na nich. Kvantové výpočtové jednotky (QPU), aj keď zašumené a teda zložitostne pre isté úlohy ekvivalentné s CPU, môžu pomôcť podobným zrýchlením, ktoré by sme mohli nazvať kvantovou výhodou.
Neočakávame, že...
… súčasné zašumené kvantové počítače demonštrujú kvantovú výhodu bez fungujúcej opravy chýb. Ich výrazným prínosom však môže byť zefektívnenie simulácií kvantových systémov aj bez nej. Hoci nepôjde o univerzálne riešenie a zrýchlenie zrejme nebude také dramatické, aby sme porovnávali sekundy kvantového výpočtového času s miliónmi rokov výpočtového času superpočítača, neustále však môže byť veľmi užitočné.
… bez fungujúcej opravy chýb budeme mať zariadenia schopné prelomiť dnešné kryptosystémy. Dobrým náznakom je aj skutočnosť, že doteraz najväčšie faktorizované číslo na kvantovom počítači zostáva číslo 15, a to ešte z roku 2001. Dôvod je pragmatický. Shorov algoritmus pre faktorizáciu čísla 15 potrebuje 21 dvojqubitových hradiel a sedem qubitov. Pri faktorizácii čísla 21 je síce potrebných 15 qubitov, no počet dvojqubitových hradiel vzrastie až na 2405. A to ešte nehovoríme o ich chybovosti.
Faktorizácia čísla 15 v experimente IBM z roku 2001
Nedávne výsledky týkajúce sa počtu qubitov potrebných na prelomenie používaného 2048-bitového kryptosystému RSA sú však povzbudivé. Vo februári 2026 austrálsky tím predstavil implementáciu Shorovho faktorizačného algoritmu s opravou chýb, ktorá potrebuje iba 100-tisíc fyzikálnych qubitov a predpokladá presnosť na úrovni 99,9 %.
Autori článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie