Na prácu potrebujú väčší chlad ako vo vesmíre, na prelomenie šifry okamih. Kvantové počítače prídu o pár rokov

Ako ste sa ku kvantovým počítačom dostali?

Úplnou náhodou. Študujem už siedmy rok na Edinburskej univerzite v Škótsku. Keď som si vyberal tému bakalárskej práce, chcel som si rozšíriť obzory, tak som si len tak zo zvedavosti vybral projekt o kvantovej kryptografii. V tom čase som o nej nič netušil. Bolo fascinujúce ocitnúť sa zrazu vo svete, ktorý funguje inak, ako ste zvyknutí. Akoby ste sa učili abecedu odznova. Prijal som pozvanie na doktorát a je to už tretí rok, čo na ňom pracujem. Momentálne som ho ale dočasne prerušil pre stáž v SandboxAQ, kalifornskej firme, ktorá už dnes ponúka komerčné riešenia v oblasti kvantovej bezpečnosti.

Čo si máme predstaviť pod kvantovou kryptografiou?

Ide o oblasť, ktorá sa zaujíma o šifrovanie dát vo svete, keď už existujú kvantové počítače.

Prinesú so sebou nové bezpečnostné riziká?

Ktokoľvek, kto dokáže postaviť dostatočne silný kvantový počítač, čo sa predpokladá, že o 10 až 15 rokov bude naozaj možné, získa silný výpočtový výkon. Taký, že by s ním vedel prelomiť väčšinu dôležitých šifier, ktoré sa dnes používajú napríklad na internete. Ohrozené sú prakticky všetky oblasti – od bežného surfovania na internete cez platobné brány, bankové prevody, ale aj štátne tajomstvá a iné kriticky dôležité informácie. Všetko, čo dnes nejakým spôsobom šifrujeme, aby ostalo tajné, by dokázal dostatočne výkonný kvantový počítač prelomiť. A práve proti tomuto potrebujeme pripraviť obranu. Je to už pomerne veľká výskumná oblasť. Vymýšľajú sa a testujú sa šifry, ktoré by dokázali kvantovým útokom odolať. Celú prácu však komplikuje fakt, že pri predpovedaní, čo bude a nebude možné, sa zaoberáme veľkosťami kvantových počítačov, ktoré dnes ešte neexistujú. Máme teda iba matematický model, ako taký kvantový počítač funguje, a na základe neho sa pokúšame analyzovať riziká.

Aké máte očakávania od kvantových počítačov?

Dôvod, prečo ich staviame, nie je, samozrejme, prelamovanie šifier. To je len neželaný efekt, ktorý prinesú, a všetko nasvedčuje tomu, že sa s ním dokážeme vysporiadať. Staviame ich z dôvodu, že pre určitý typ výpočtov dokážu priniesť neporovnateľne vyšší výkon v porovnaní s klasickými počítačmi, aké používame dnes. Z hlavných prínosov by som určite spomenul vývoj liečiv a výskum v chémii, vďaka tomu, že na kvantovom leveli vieme nakódovať vlastnosti molekúl oveľa prirodzenejšie ako na klasickom počítači. Ďalšími príkladmi sú objavovanie nových materiálov, predpovedanie počasia a dosahov klimatických zmien či väčšina takzvaných optimalizačných úloh, kde treba niečo vo veľkom rozsahu efektívne naplánovať. Harmonogram letov, distribúcia elektriny a tak ďalej.

Z čoho sa skladajú?

Pre mňa ako informatika je ich základnou jednotkou takzvaný kvantových bit alebo po anglicky qubit. Je analógiou klasického bitu v počítači, základnej jednotky informácie. V klasickom stroji je bit nula alebo jednotka. Ale kvantový bit si treba predstaviť ako niečo, čo môže byť zároveň nulou aj jednotkou. Raz môže byť viac nulou, raz môže byť viac jednotkou. No je dôležité si uvedomiť, že kým ho nezmeriame, tak je v rozličnom pomere obomi hodnotami naraz. Čomu sa hovorí superpozícia.

A už to začína byť podivné.

Toto je ten bod, keď sa ozýva naša myseľ a protestuje, že predsa niečo nemôže byť naraz aj nula aj jednotka. Prípadne, nesprávne prichádzame s teóriou, že ak je to viac jedna a menej nula, tak je to napríklad 0.8. Až keď qubit zmeriame, tak sa takpovediac rozhodne, čím vlastne bude. Môže sa nám teda stať, že ak rovnaký kvantový bit meriame mnohokrát, v 80 % prípadoch nám povie, že je 1 a vo zvyšných 20 % sa bude javiť ako 0. To sa na prvý pohľad môže zdať obmedzujúce, no dôležité je uvedomiť si, že kvantové bity sa spravidla merajú až na konci výpočtu. To znamená, že počas neho môžu výpočty prebiehať so superpozíciou možných riešení problému, čo značne urýchľuje čas výpočtu. Navyše, s každým novým kvantovým bitom, ktorý dokážeme zabudovať do kvantového počítača, sa jeho výkon pre určité problémy zvyšuje dvojnásobne. Čo sa týka metódy samotnej konštrukcie kvantových bitov, existujú desiatky, ak nie stovky návrhov, každá so svojimi výhodami a nevýhodami. Dodnes neexistuje konsenzus, ktorý spôsob bude pravdepodobne najefektívnejším, a táto otázka dnes láka obrovské množstvo investorov.

Bude aj ten najjednoduchší kvantový počítač lepší ako dnešné superpočítače?

Celkom určite nie. Existujú už desiatky, možno stovky kvantových počítačov. Tieto stroje stoja milióny eur, často si vyžadujú obrovské chladiace zariadenie, ktoré je veľké ako jedna samostatná budova.

Veľkosťou teda pripomínajú skôr prvé, tie najstaršie počítače, ktoré zaberali tiež celé poschodia v budovách.

Má to však jednoduché vysvetlenie. Je to preto, že kvantové počítače treba chladiť takmer na totálnu nulu, tesne nad nula stupňov Kelvina. Na chlad výrazne menší, aký panuje vo vesmíre. Nuž a, ironicky, tieto kvantové počítače určite ani zďaleka nedosahujú výkon počítača, na ktorom píšete reportáže.

Foto: JK Demänovská dolina

2jaskynna Po objaviteľskej expedícii v jaskyni.

Ale prečo je to tak?

Pretože sú tu stále konštrukčné prekážky, ktoré sme nedokázali prekonať. Po prvé, je komplikované vtesnať na jeden čip dostatočne veľa kvantových bitov tak, aby spolu medzi sebou aj komunikovali. Ak by k tejto komunikácii nedochádzalo, neprebiehali by kvantové fenomény, na ktoré sa spoliehame. Celý počítač by nám bol nanič. Napredujeme však rýchlo.

Ako rýchlo?

Ešte pred dvoma rokmi bol rekord 76 kvantových bitov. Dnes je to už 216. Ich komunikácia je ale stále značne obmedzená. Veľkým problémom je aj takzvaný šum. Keďže kvantové počítače pracujú na maličkej kvantovej úrovni, na úrovni elementárnych častíc, elektrónov, iónov a podobne, sú náchylné na rôzne druhy žiarenia, napríklad na tepelné alebo elektromagnetické. Práve toto je veľkou inžinierskou výzvou – postaviť taký kvantový počítač, ktorý dokáže odolať žiareniam zvnútra aj zvonku. V súčasnosti je to veľmi ťažké a nikdy to nebude dokonalé. Navyše, informácia v takomto počítači sa bude vedieť uchovať len pár milisekúnd. A až teraz to začína byť zložité (smeje sa). To bude čas, za ktorý budeme musieť stihnúť urobiť výpočet.

Kde presne nájdu svoje uplatnenie?

Keďže vlastniť kvantový počítač bude pravdepodobne veľmi drahé, budú to predovšetkým miesta, kde sa očakáva ich plné využitie – vedecké ústavy, univerzity a technologické giganty. Už dnes však existuje desiatka firiem (IBM, DWave a ďalšie), ktoré ponúkajú prístup k svojmu kvantovému počítaču cez internetový cloud. Po registrácii si tam môžete na diaľku spustiť vlastný program na ich kvantovom počítači aj vy. Toto riešenie bude najlákavejšie pre firmy, ktoré si vlastný kvantový počítač nebudú môcť dovoliť, no jeho využitie im pomôže optimalizovať vlastný biznis. Napríklad v logistike, keď nejaká firma potrebuje vymyslieť, ako čo najoptimálnejšie dopraviť balíky do 100 rôznych miest v Británii. Akou trasou má ísť kuriér, aby ich čo najefektívnejšie rozniesol.

Čítajte aj Ľudstvo uvidelo neviditeľné. Čo bude ďalej po zverejnení obrázku čiernej diery?

A toto je náročný problém pre dnešné počítače?

Toto zadanie sa v angličtine označuje ako traveling salesman problém alebo problém obchodného cestujúceho. A vo svojej podstate ide o veľmi komplikovaný rébus známy aj tým, že je matematicky dokázané, že preň neexistuje efektívne riešenie. Minimálne nie s klasickým počítačom. Ak by sme sa neuspokojili s približným, nie optimálnym riešením, dnešné počítače by počítali dlhšie ako vek vesmíru, aby našli to najoptimálnejšie riešenie problému, ktorý som spomenul. Preto je dnešné plánovanie úloh niekedy len približné a napríklad pri započítaní nákladov na pohonné látky, sú neoptimálne riešenia často nevýhodné. Práve s týmto by dokázali kvantové počítače pomôcť. Určite za nás nevyriešia všetky optimalizačné problémy, ktoré im zadáme, ale existujú silné indície, že nám pomôžu v rozumnom čase nachádzať tie presnejšie, výhodnejšie riešenia.

A čo využitie kvantových počítačov vo vede?

Toto je veľmi sľubná oblasť. Dnešná veda je z veľkej časti o potrebe získať čo najviac dát, ktoré treba následne nejako spracovať a niečo z nich zistiť. Je to úplne nová výskumná oblasť, no už dnes poznáme pár takýchto možností na využitie kvantového počítača, aby nám pomohol zanalyzovať dáta ešte efektívnejšie ako dnešné metódy umelej inteligencie a strojového učenia. Myslím si, že by mohli predznamenať novú éru toho, čo dokážeme z dát vyčítať. Jeden podobný prelom sme zažili okolo roku 2010, keď sme v konštrukcii klasických počítačov pokročili tak ďaleko, že sme boli schopní začať využívať takzvané hlboké neurónové siete, čo je dodnes najmodernejšia využívaná forma umelej inteligencie. Dnes ich nájdeme takmer v každom jednom vednom odbore, od vysvetľovania vzniku vesmíru cez neurovedecké kognitívne modelovanie, riešenie matematických rovníc, predpovedanie počasia, hľadanie nádorov na medicínskych skenoch, a takto by sa dalo ešte dlho pokračovať. Teraz si viete asi lepšie predstaviť, čo všetko by to znamenalo, keby sme dosiahli ďalší prelom a pomocou kvantového počítača prekonali metódy klasickej umelej inteligencie.

V kvantových výpočtoch sa môže uplatniť aj jeden jav, ktorý Einstein opísal ako „strašidelná akcia na diaľku“. Ide o kvantové previazanie, alebo veľmi zjednodušene – okamžitý prenos informácií z jedného miesta na druhé, ktorý je dokonca rýchlejší ako rýchlosť svetla. Niečo ako teleportácia informácie. Možno to nejako využiť pri šifrovaní?

Áno, je to fascinujúca téma a práve vďaka tomuto fenoménu problémy, ktoré riešime, často pripomínajú skôr sci-fi ako realitu. Uvediem príklad, ktorý bude pre ilustráciu znieť možno prehnane, no v prípade kvantového internetu by mohol byť realitou. V meste sa konajú voľby medzi dvoma kandidátmi a obyvatelia posielajú svoje hlasy reprezentované kvantovými bitmi do kvantovej urny. Očakávame, že keď raz do nej niekto pošle svoj hlas, už ostane nemenný, ako to pri voľbách býva. Nič mi však nebráni, aby som si pred hlasovaním vytvoril dva kvantové bity s týmto typom previazania. Do urny pošlem jeden, a druhý si tajne nechám doma. Ak sa teda rozhodnem podvádzať a zmeniť svoje hlasovanie a mám doma primitívny kvantový počítač, dokážem svoje hlasovanie takto na diaľku zmeniť bez interakcie s tým, čo som už hodil do urny. V literatúre sa to nazýva Lo-Chau útok a každý jeden kvantový kryptografický protokol musí byť navrhnutý tak, aby bol proti nemu bezpečný. No musím spomenúť, že ma takisto veľmi zaujíma, ako si tento „strašidelný“ kvantový fenomén našiel cestu a bádateľov v psychológii.

Čítajte aj Kolonizácia Marsu? Najprv buďme slušní k Zemi

Kde presne?

Bolo to paradoxne už takmer od úplných počiatkov od objavenia tohto fenoménu. Priekopník kvantovej mechaniky Wolfgang Pauli bol blízkym priateľom známeho psychiatra Carla Junga. Spoločne diskutovali o takzvanej synchronicite, jednom z parapsycholo­gických javov, to znamená mimo oblasti vedeckej psychológie. Došli k záveru, že ak teda je aj naša myseľ ovplyvnená kvantovými javmi odohrávajúcimi sa v mozgu, nadprirodzené zákonitosti kvantovej mechaniky, ako aj „strašidelný“ kvantový fenomén môžu vysvetľovať niektoré z javov, ktoré sa nám dodnes zdajú ako nevedecké a nereálne. Výskum v tejto oblasti prebieha ale veľmi pomaly, keďže je veľmi náročné prepojiť chemické procesy v mozgu s naším vedomím. Len pred niekoľkými dňami bol však vo fyzikálnom žurnále publikovaný článok, ktorého autori tvrdia, že identifikovali tieto „strašidelné akcie na diaľku“ v našom mozgovomiechovom moku, ktoré podľa nich súvisia s procesmi nášho vedomia. S určitosťou teda vieme povedať, že kvantová mechanika je teória, ktorá má vďaka svojim zákonitostiam veľký potenciál posúvať hranice toho, čo je vedecky akceptované naprieč širokým spektrom vedeckých oblastí.

Čítajte aj Les nekonečný ako vesmír

Aký to má dôsledok?

Autori článku tvrdia, že naše vedomie funguje na kvantových princípoch. Na jednej strane ide o samozrejmý fakt, keďže vieme, že chemické procesy ovplyvňujú naše premýšľanie. Na druhej strane si myslím, že je veľmi ťažké dokázať, či sa kvantové fenomény „nestratia“ niekde na polceste medzi chemickou reakciou a naším vedomím, alebo či vedia mať naň aj reálny vplyv. Keďže ide o nový článok, pozeral by som sa naň s odstupom, ako to už vo vede býva zvykom. V každom prípade, ak majú autori článku pravdu, pôjde o veľký prelom v tom, ako sa dnes veda na našu myseľ pozerá.

Venujete sa jaskyniarstvu profesionálne?

Amatérsky, ale je to moja srdcová záležitosť. Vždy, keď sa mi podarí prísť na Slovensko, neviem sa tohto podzemného dobrodružstva nabažiť.

Čo vás na tom priťahuje?

Objaviteľstvo. Jaskyniarstvo je jednou z mála aktivít, ktorá vám dáva možnosť byť niekde prvým človekom na svete. Vchádzať do priestoru, v ktorom ešte nikto nikdy nebol. Neviete, čo očakávať. Ide o obrovské dobrodružstvo, adrenalín. A takisto je to nádherná tímová práca, vždy pracujete s nejakou partiou kamarátov. Kopete nejakú chodbu, mesiace, niekedy aj roky špekulujete, čo tam môže byť. Niekedy sa mi až sníva, aké priestory a chodby sa tam môžu nachádzať. A potom sa tam dostanete a veľmi sa z toho tešíte.

Čítajte viac Pohľad na Demänovskú dolinu: Lámanie duše

Podieľate sa na zaujímavých objavoch v Demänovskej doline. O čo sa tu jaskyniari usilujú?

Najväčšou výzvou Jaskyniarskeho klubu Demänovská dolina je dokázať, že tunajší jaskynný systém je v skutočnosti väčší a je oveľa bližšie k súčasnému lyžiarskemu stredisku. Odhadujeme, že blízko lokality Lúčky sa nachádza možno až 15 kilometrov neobjavených jaskýň, čo máme potvrdené rôznymi skúškami. Ak by sa tieto priestory podarilo objaviť, dokázali by sme, že demänovský jaskynný systém je oveľa bližšie k lyžiarskemu stredisku, ako sa to dnes javí. Možno iba pár desiatok metrov. Pred pár rokmi sa nám v Pustej jaskyni asi po desiatich rokoch práce podarilo dostať bližšie k týmto priestorom, no zastavil nás obrovský zával, s ktorým si zatiaľ nevieme rady.

Aký by to malo význam?

Dokázali by sme, že tento jaskynný systém je oveľa náchylnejší na turistický ruch, ktorý sa teraz v Demänovskej doline deje. Práve Lúčky sú oblasťou, kde má veľa stavieb vydané stavebné povolenie, má tam vyrásť ďalší obrovský hotel, veľa ďalších apartmánov, stavieb. Vieme, že pri stavbách vzniká veľa odpadu, často aj toxického, a to všetko môže byť splavované do jaskyne. Ohrozuje to jej krehké prostredie a aj zdroj pitnej vody.

Čítajte viac Krajina drakov chrlí najčistejšiu vodu. Dokedy?

Je to v niečom podobné, skúmať jaskyne a kvantové počítače?

To je zaujímavá otázka. Súvis vidím v tom, že v oboch prípadoch idem do niečoho nepoznaného. Aj vo vede idem do vecí, o ktorých netuším, či sa podaria. Z toho pre mňa pramení neustály, jemný, hm… adrenalín? A zároveň aj isté očakávanie, čo z toho vzíde. Keď človek niečo objaví, je to obohacujúci pocit. Ale mne sa skôr jaskyniarstvo s mojou prácou nádherne dopĺňa. Veda je v tomto prípade skôr práca s počítačom, ktorá mi až tak neprekáža, ale nevedel by som mať také celé dni. Najradšej mám dni, keď košeľu po pracovnom stretnutí prezlečiem za zablatený jaskyniarsky oblek a teším som sa z celej tej rozmanitej škály zážitkov, ktoré môžem cez ten deň zažiť.

Malo to vplyv na výkon v práci?

Určite. Potrebujem sa často „venčiť” a ak nejaskyniarčim, čo sa hlavne v Škótsku, kde trávim teraz väčšinu času, nedá, veľmi rád športujem, hlavne behám. Potom si človek spokojný sadne na stoličku, chlipká čaj a môže premýšľať s čistou hlavou. To je vo vede asi najdôležitejšie, keďže jeden nápad, jeden „aha moment” je oveľa dôležitejší ako množstvo času presedeného na stoličke.