Práce na rozhraní fyziky a teoretické informatiky již dlouho vede k zásadním pokrokům vědy a techniky. Jednou z nejrychleji rostoucích oborů na tomto rozhraní je kvantové počítání, o kterém se spekuluje jako o jedné z možných převratných technologií.
Nedávné experimenty ukazují, že i stávající hardware pro kvantové počítání naráží na hranice toho, co dokážeme simulovat klasicky, a obor se tak stává velmi zajímavý pro řadu finančních institucí a velkých průmyslových firem. Kvantová informatika je jednou z komerčně nejvíce poptávaných kvantových technologií, do které se po celém světě investují obrovské prostředky. Přitom odborníků je stále velmi málo a prakticky každý, kdo má o kvantové informatice alespoň minimální pojetí, má pracovní nabídky zaručené.
Vznik tohoto oboru nám dává naději, že Česká republika bude hrát důležitou roli v oblasti kvantové informatiky, od které si svět slibuje revoluci v oblasti bezpečné komunikace a řádového posunutí výpočetního výkonu. Ovládnutí kvantových počítačů nám dá do rukou nástroj, umožňující řádový skok ve všech oblastech, kde je třeba zpracovávat velké objemy dat, což jsou prakticky všechny vědecké obory. Umožní nám také informaticky se dívat na staré problémy nově a postupně objevovat úplně nový svět algoritmů a informatických postupů.
Kvantová informatika na ČVUT
Od akademického roku 2024/25 nabídne studentům ČVUT v Praze nový magisterský studijní program Kvantová informatika. Společně jej zajišťují Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská (FJFI), Fakulta informačních technologií (FIT), Fakulta elektrotechnická (FEL) a Fakulta strojní (FS). Jedná se o celoškolský magisterský program cílený na nejmodernější trendy v informatice.
Pro zajištění výuky budou také vybudovány Laboratoře kvantové komunikace a kryptografie a Laboratoř kvantového počítání. Na FIT vznikne Laboratoř kvantového počítání - nová učebna se simulátorem optického kvantového počítače. FEL a FJFI společně vytvoří výukovou Laboratoř kvantové kryptografie a zajistí její následné napojení na Českou národní kvantovou infrastrukturu.
Magisterský studijní program je připravován s vizí budoucnosti, kam kvantové technologie jednoznačně patří. Bude připravovat odborníky v oblasti kvantové informatiky, aby znali a dokázali efektivně využívat tyto perspektivní technologie, které radikálně mění výpočetní postupy a komunikaci v oblasti zpracování informací.
Předmět Kvantové počítání na FEL ČVUT
Pohled do jednoho z oborů budoucnosti nabízí předmět Kvantové počítání, který v letním semestru rozšíří nabídku předmětů studijního programu Otevřená informatika na Fakultě elektrotechnické ČVUT. Předmět vyučovaný v angličtině na katedře počítačů mohou navštěvovat i zájemci a zájemkyně z jiných studijních programů FEL a dalších fakult ČVUT.
Kvantové počítání je jedním z nejrychleji rostoucích oborů na rozhraní fyziky a teoretické informatiky. Studium související fyziky a informatiky tak poskytuje nejen intelektuální uspokojení, ale i komerčně uplatnitelné znalosti.
Obsah předmětu Kvantové počítání:
- Proč studovat kvantové počítání? K čemu je dobré? Termíny "quantum supremacy" a "quantum advantage". Jak chápat tvrzení fy. Google o "quantum supremacy"? Jak obohacuje kvantové počítání vývoj klasických algoritmů? Přehled celosvětových aktivit ve kvantovém počítání.
- Úvod do kvantové mechaniky pro nefyziky. Postuláty kvantové mechaniky a Diracova notace (bra-ket). Unitární operátory a střední hodnoty. Evoluce kvantového stavu.
- Klasické bity a qubity. Blochova koule. Reversibilní operace a kvantové obvody.
- Úvod do výpočetní složitosti kvantového počítání v kontrastu s klasickým počítáním. Klasické a kvantové Turingovy stroje. Klasické a kvantové obvody. Klasické třídy P, BPP, NP, PSPACE.
- Kvantové algoritmy a kvantové náhodné procházky. Klasické Monte Carlo simulace a kvantové náhrady Monte Carlo simulací. Aplikace ve finančních službách.
- Další směry vývoje kvantového počítání. Adiabatické počítání. Odhad fáze. Simulované a kvantové žíhání. Variační algoritmy.
Prakticky si studenti vyzkouší využití simulátorů kvantových počítačů i skutečných kvantových počítačů IBM dostupných on-line. Kurz se bude konat každý pátek - přednášky od 9:15 do 10:45, následná praktická cvičení pak mezi 11:00 až 12:30.
Základní principy kvantového počítání
Kvantové počítání využívá dva podivuhodné vlastnosti kvantového světa: superpozici a provázanost.
Superpozice
Na rozdíl od klasických bitů, které mohou nabývat pouze hodnoty 0 nebo 1, mohou kvantové bity (qubity) existovat v superpozici obou stavů. To znamená, že qubit může být zároveň 0 i 1, a to v libovolném poměru. Tato vlastnost umožňuje kvantovým počítačům zpracovávat obrovské množství informací paralelně.
"Bity nejsou jen nuly a jedničky, ale superpozice těchto stavů do chvíle, než provedeme měření."
Provázanost (Entanglement)
Provázanost je jev, kdy se dva nebo více qubitů chovají jako jedna nerozlučná entita, bez ohledu na vzdálenost, která je dělí. Změna stavu jednoho provázaného qubitu okamžitě ovlivní stav ostatních. Tento jev, známý jako EPR paradox, byl dlouho považován za kontroverzní, ale dnes je klíčovou součástí kvantových technologií.
"Dvě podivuhodné vlastnosti kvantového světa: superpozice a provázanost stavů dvou různých kvantových objektů."
Výhody a aplikace kvantového počítání
Kvantové počítání slibuje revoluci v mnoha oblastech:
- Zrychlení výpočtů: Kvantové počítače mohou řešit některé problémy, které jsou pro klasické počítače neřešitelné, řádově rychleji. To se týká například faktorizace velkých čísel (s důsledky pro kryptografii), simulace molekul a materiálů, optimalizačních úloh a úloh v oblasti umělé inteligence.
- Nové materiály a léky: Simulace molekulárních interakcí umožní navrhovat nové materiály s požadovanými vlastnostmi a vyvíjet účinnější léky.
- Bezpečná komunikace: Kvantová kryptografie nabízí teoreticky neprolomitelné metody šifrování.
- Finanční modelování: Kvantové počítače mohou výrazně zlepšit přesnost a rychlost finančních simulací a predikcí.
"Kvantové počítání s řádovým urychlením výpočtů posune celé inženýrství. Vývoj výrobků pro veškerý průmysl se zrychlí a zlepší se jejich kvalita zpracováním více návrhových variant, kvalita a optimalita řízení strojů a procesů vzroste možnou složitostí simulačních modelů pro predikci jejich chování a růst objemu zpracovaných dat z měření jejich chování dává naději na získání lepších znalostí pro jejich nové návrhy."
Kvantové počítače: Hrozba pro šifrování, naděje pro lidstvo?
Budoucnost kvantového počítání
Kvantové počítání je stále v rané fázi vývoje, ale jeho potenciál je obrovský. Investice do výzkumu a vývoje v této oblasti rostou po celém světě, včetně České republiky. Nové studijní programy a laboratoře, jako ty na ČVUT, hrají klíčovou roli v přípravě budoucích odborníků, kteří budou schopni tuto revoluční technologii využít.
"Kvantové počítání je jedním z nejrychleji rostoucích oborů na rozhraní fyziky a teoretické informatiky."