Pozornosť médií a zákazníkov má aktuálne najmä generatívna umelá inteligencia a veľké jazykové modely. Veľký pokrok však dosahujú aj kvantové počítače. Martin Švík, technologický viceprezident IBM pre severnú, strednú a východnú Európu, vysvetľuje, ako obe oblasti súvisia a aké zmeny v spoločnosti rozvoj „kvanta“ prinesie.
(smeje sa). Nie, toto nie je ďalší tokamak. V oblasti kvanta sa toho v posledných rokoch udialo veľmi veľa. Prvý komerčný kvantový počítač uviedla IBM v roku 2016. Dnes ich už existujú rádovo vysoké desiatky po celom svete a aj prvé reálne implementácie. V novembri 2023 predstavila IBM experimentálny čip Codor s 1 121 qubitmi. Výkonnosť čipu pre kvantový počítač sa meria asi štyrmi metrikami, počet qubitov je jedna z nich. Počítač z roku 2016 mal päť qubitov. Z výpočtovej sily dva na piatu sme sa za osem rokov dostali na dve na 1 121-tu-, čo je už skutočne strašne veľa, oveľa viac ako molekúl vo vesmíre.
Meria sa ešte rýchlosť prechodu kvantovým obvodom aj kvalita qubitov. Aj z tohto pohľadu kvantové počítače šialene zrýchľujú. Len od minulého roka sa parameter prechodov kvantovými obvodmi (circuit loops per second) zlepšil asi 20-krát, a asi tisíckrát sme zlepšili opravu takzvanej kvantovej chybovosti. Asi 5-krát sme vďaka paralelizácii zrýchlili priechod programu . Krivka nástupu je extrémne strmá,exponenciálna.
Treba tiež povedať, že existujú rôzne typy kvantových počítačov, najmä fotonické, spin qubitové, založené na iontových pasciach a supravodivé. My v IBM robíme tie supravodivé, to sú tie najzložitejšie, ale aj najvšeobecnejšie. Ostatné sú v podstate istou subdoménou. Výzvou v supravodivej technológii je, že musíte mraziť čip blízko úrovne absolútnej nuly, až potom ste schopní nastavovať stavy na sfére qubitu. Aktuálne je technológia pri teplote 15-16 milikelvinov, a vtedy je už qubit relatívne stabilný.
Vďaka tomu, že qubitov už máme v čipe asi tisíc, je stále relatívne vysoká pravdepodobnosť, že niektorý skolabuje. V takom prípade musíte „zbehnúť“ proces opäť. Aplikujú sa tu rôzne algoritmy umelej inteligencie a ďalšie postupy, aby sa došlo k správnemu výsledku.
Dramaticky. Vlani na jeseň bol americký prezident Joe Biden na návšteve vo výskumnom centre IBM a firma oznámila investíciu 20 miliárd dolárov do polovodičov, čipov a kvantových počítačov. Pred mesiacom otvorila IBM prvé kvantové dátové centrum v Európe v Mníchove. Ekosystém kvantových počítačov má už asi tristo členov,vrátane akademických organizácií, aj zástupcov komerčného sektora. Z pohľadu výpočtovej sily môžeme povedať, že všetky kvantové počítače, ktoré má IBM aktuálne prístupné v cloude, už majú viac ako sto qubitov.
Je známy výrok viceprezidenta IBM Jay Gambettu, že ak nepoužívate aspoň sto qubitov, nerobíte kvantové počítanie. Existuje totiž teoretická šanca, že asi do 35 qubitov je možné kvantové počítače nasimulovať na grafických kartách. To už ale hovoríme o stovkách tých najvýkonnejších grafických kariet. Nad 45 qubitov, pripomínam, hovoríme o mocnine dvojky, už neexistuje žiadny počítač na svete, ktorý by to nasimuloval. Vo firme máme plán do roku 2033 a od roku 2016 ho stále prekonávame. Hovorí, že v roku 2033 by IBM mala vyrobiť kvantový počítač so 100-tisíc qubitmi.
Plány, ktoré sa stále prekonávajú, môžu byť pre biznis a firmu aj problém, či nie? Ako ďaleko je kvantové počítanie ako biznis, nielen ako predmet výskumu?
Stále sa pohybujeme vo výskume, prekonávamenevyriešené problémy. U počítačov, kde posledných asi päťdesiat rokov platí Moorov zákon, sa dá predikovať, že ak niekto nepríde s niečím dramatickým, porastie výpočtová kapacita istým tempom. V kvantovom počítaní sme ďalej ako v spomínanom tokamaku, denne máme desiatky tisíc aktívnych používateľov. Máme už aj konkrétne oblasti použitia. Diskusia sa však stále točí okolo otázky, či už v praxi pozorujeme „kvantovú výhodu“ alebo ešte nie.
V časopise Nature prezentovala IBM vlani algoritmus, ktorý nie je vypočítateľný na klasických počítačoch. Išlo o nejakú zložitú matematickú úlohu. Rozpútala sa veľká debata, postupne sa ale ukázalo, že ak vymyslíte trochu iný algoritmus, mohol by problém riešiť aj klasický počítač. Tieto dva svety, klasické a kvantové počítače, sa stále predbiehajú a prekárajú, čo je skvelé, lebo oba sa zásadne posúvajú vpred.
Zložité matematické úlohy, to je podstata šifrovania. Ako reálna je obava, že kvantové počítače dnešné šifrovanie zničia?
V spomenutom prípade síce išlo o iný typ optimalizačnej úlohy, ale áno, kvantové počítače majú výhodu v tom, že fungujú na úplne odlišnom princípe ako binárne. Nájsť obrovské prvočíslo je pre ne vďaka Shorovmu kvantového algoritmu oveľa ľahšia úloha. Už je dokázané, že klasické šifrovanie, postavené na veľkých prvočíslach, je v obrovskom ohrození. V polovici augusta rozhodol americký Národný inštitút pre štandardizáciu a technológie, že asymetrické šifry ako RSA, DSS a ďalšie, musia byť nahradené novými algoritmami. Časový horizont hovorí o „nebezpečnom dátume“ v roku 2030.
To je skoro ako termíny z Green Dealu a nástup elektromobilov, však?
Predikcie sú neúprosné a rok 2030 je realistický odhad, keď už počítače budú dostatočne výkonné. Algoritmus, ktorý sa používa na kvantové nájdenie prvočísel, sa za posledných päť rokov upravil tak, že potrebuje tisíckrát menej qubitov.
U elektromobilov máte naviac výhodu, že ak termín nestihnete, stále máte možnosť jazdiť „po starom.“ Včera som však diskutoval s kolegami štúdiách o pravdepodobných dôsledkoch situácie, ak nejaká šifra bude napadnutá kvantovým počítačom. Príslušná organizácia sa zrejme bude musieť okamžite odpojiť od internetu a riešiť, čo ďalej. Je to extrémne nebezpečné a treba to riešiť. Najrôznejší aktéri už zbierajú všetky šifrované informácie, každú komunikáciu, ktorá dnes prebieha na internete. Spätne, až tu bude dostatočne výkonný počítač, sa na všetko budú môcť pozrieť.
Ako prebieha hľadanie nového štandardu šifrovania?
Shorov algoritmus vznikol v 90. rokoch, inštitút pre štandardizáciu vypísal viacero súťaží na algoritmy pred asi desiatimi rokmi. Odvtedy sa ich vyvinulo veľa a inštitút už dlho testoval takzvané lattice-based algoritmy. Teoretické výpočty ukazujú, že by na relatívne dlhú dobu mohli byť bezpečné, ale dnes sa všetko extrémne zrýchľuje.
Čo to znamená v praxi?
Veľa sa dnes hovorí o koncepte kryptoagility. Vývojári už napríklad nemôžu programovať tak, ako doteraz. Pri autentifikácii do systému už napríklad nebude stačiť, že poviete „dobrý deň, chcem sa autentifikovať“ a spustíte proces volania knižnice. Tieto súčasti autentifikácie by mali byť vyňaté von, do kontajnerov mimo aplikáciu, aby v prípade, že budú prelomené, to nebolo tak bolestivé ich zmeniť. Veľa programov sa bude musieť prepísať, napríklad sa bude musieť zaviesť takzvaná proxy cache, kde sa zakryptuje komunikácia medzi koncovými zariadením a serverom.
Je treba riešiť veľmi veľa bolestných vecí, lebo málokto očakával systémové problémy. Pri „dvojkilovej“, 2 048 bitov dlhej šifre, by teoreticky najvýkonnejší binárny počítač nemal byť schopný nájsť riešenie milióny rokov, všetci teda žili s pocitom, že sme v bezpečí. A ak aj niekto s niečím príde, tak teda predĺžime šifru, hovorili sme si. Existuje však už aj štúdia, ktorá hovorí že výpočet „dvojkilovej“ RSA šifry na kvantovom počítači pri istom nastavení bude trvať dvadsať hodín a „štvorkilovej“ asi 37 hodín. Stratégia predlžovania kľúča, ktorá tu bola štyridsať rokov, je pokorená.
Zodpovedajú týmto výzvam aj investície a budovanie infraštruktúry? O aké sumy v súčasnosti ide?
Nemecko napríklad dalo do kvanta asi tri a pol miliardy dolárov, Švédi dve miliardy švédskych korún , Američania tri a pol miliardy. Už sme sa určite dostali za bod zlomu, teraz kvantum porastie dramaticky. Dnes, keď veľké IT firmy uvažujú, že kvôli veľkým jazykovým modelom si musia zaobstarať vlastnéjadrové elektrárne, majú kvantové počítače tú obrovskú výhodu, že na strojové učenie potrebujú oveľa menej tréningových dát, oveľa rýchlejšie konvergujú k výsledkom. Ak by som mal predikovať, čo sa stane o päť či pätnásť rokov, tak veľmi pravdepodobne kvantum a umelá inteligencia sa k sebe mimoriadne priblížia. AI sa bude počítať na kvantových počítačoch, z toho dôvodu, že tisícqubitový procesor, hoci má gigantickú výpočtovú silu, potrebuje energiu rádovo potrebnú na napájanie niekoľkých serverov.
Foto Ondřej Pýcha
Len tak málo?
Všetci si myslia, že kvôli tomu, že mrazíte až k absolútnej nule, je to energetický „masaker“. Ale ten „luster“, chandelier, všetky tie medené potrubia kvantového počítača, z toho všetkého sa musí mraziť len ten čip, ktorý má veľkosť trikrát štyri centimetre. Vďaka tomu nie je to množstvo energie až také obrovské. Teoreticky, ak by nám kvôli umelej inteligencii mala dôjsť energia, môže sa stať, že kvantové počítače prevezmú veľmi veľa výpočtov, ktoré by sa inak nedali zvládnuť.
Teoreticky, ak by nám kvôli umelej inteligencii mala dôjsť energia, môže sa stať, že kvantové počítače prevezmú veľmi veľa výpočtov.
Do ktorých oblastí mieria spomínané investície?
Veľké investície plynú do farmakológie, do oblasti personalizovanej liečby, liekov, šitých na mieru, napríklad na špeciálne typy rakoviny. V tejto oblasti v zásade nemôžete použiť tradičnú AI, keďže pri výbere vzoriek máte na celom svete napríklad iba desiatky ľudí. Pri takej hustote informácií je AI úplne slepá, kým kvantum je schopné dokonvergovať k výsledku. Ak máte veľmi málo a riedkych informácií, kvantové počítače priam extrémne excelujú.
Prečo?
Celý svet, ktorý vidíme, vo všeobecnosti nie je binárny, ale spojitý. Kvantum je lepšia simulácia reálneho sveta ako tradičný počítač. Problémom v praxi však zostáva, že v kvantovom svete nie sme veľmi schopní premýšľať, lebo už asi 70 rokov všetci prevádzame problémy na nuly a jednotky. A ten najväčší, vlastne jediný inhibítor pokroku je stále v tom, že ešte nemáme dostatočne výkonné počítače. Trajektória je ale jasná, akurát sme ešte v období, keď máme čas robiť na menších problémoch. Už od nasledujúceho roku sa však dá očakávať, že v odborných časopisoch bude čoraz častejšie prezentovaná kvantová výhoda. Algoritmy sa nájdu.
Šifrovanie je známe, ale aké sú iné oblasti pravdepodobného nasadenia pre kvantové počítače?
Jedna úloha, o ktorej sa veľa hovorí, je nahradenie aproximačných metód v riadení elektrickej siete. Keďže vzniká veľmi veľa solárnych elektrární, domácich panelov, či veterníkov, prípadne príbojových elektrární pri pobrežiach, je rozvodná sieť nerovnomerne zaťažovaná. Na prepínanie zdrojov máte rádovo milisekundy, inak hrozí blackout. Na toto je kvantový počítač mimoriadne vhodný. Ešte máme čas vyvíjať správne optimalizačné algoritmy, aby sme, až príde čas, vedeli túto „neriešiteľnú“ úlohu riešiť.
Vo všeobecnosti teda ešte dnešné investície neplynú do biznisových aplikácií?
Aktuálne prebieha najmä výskum. Riešia sa napríklad takzvané NP-úplné nedeterministicky polynomiálne problémy, napríklad problém obchodného cestujúceho, ktorý má centrálnu pozíciu v logistike. Máte v aute 40 balíkov, ako naplánovať cestu, aby ste našli najkratšiu možnú a vrátili sa späť? Alza a ďalší tento šialený problém „vyriešili“ geniálne tak, že ho vôbec neriešili a postavili si po mestách boxy. Ďalšia optimalizačná úloha, takzvaný Exxon Mobil algoritmus, sa zasa týka tankerov. Mnoho automobiliek sa zasa snaží vyvinúť lepšie, energeticky hustejšie batérie. Niektoré problémy vedci, napríklad aj na Českom vysokom učení technickom, skúšajú riešiť „z oboch smerov“, hybridným spôsobom, ktorý spája počítače a kvantové počítače. Myslím, že tento prístup bude mať najväčšiu šancu nájsť inovácie.
Foto Ondřej Pýcha
Je možné, že z binárneho sveta raz bude „heritage“ svet?
Dnes je tento svet tak ďaleko a je tak prepracovaný, že neverím, že by sme namiesto mobilu a klasického čipu raz mali kvantový. Asi sa dá očakávať, že tak, ako sme mali pred 60-70 rokmi sálové počítače, príde doba „sálových“ kvantových počítačov. Kým nastane aj miniaturizácia, a vedľa GPU bude môcť byť aj QPU, musíme najprv vyriešiť rôzne problémy. Fotonické kvantové počítače sú síce možné pri izbových teplotách, ale sú príliš pomalé, a supravodičové do mobilu asi zatiaľ nedáme. Stavil by som sa však, že hybridná architektúra, ktorú sa už snažíme prezentovať zákazníkom, postavená v zmysle: „riešim si svoj problém, potom si zavolám kvantový počítač, ten mi niečo dopočíta a vráti mi to späť,“ je veľmi perspektívna.
Kde by mohla fungovať?
Napríklad aj vo odhaľovaní podvodov. Na schválenie peňažnej transakcie máte nejaké milisekundy, či mikrosekundy. V rámci takého času sa podvody odhaľujú ťažko, ale kvantovépočítače sa extrémne zrýchlili a sú schopné hľadať aj extrémne nuansy a anomálie, ktoré klasická AI nájsť schopná nie je.
Aký je kontakt Slovenska s kvantovými počítačmi, napríklad na vysokých školách?
Žiaľ, na Slovensku sme výrazne pozadu. Snažíme sa to nejako posunúť, nemáme tu však takú výhodu, ako napríklad v Českej republike, kde máme minimálne osem univerzít, ktoré sa kvantovej fyzike venujú. Vysoké učení technické v Brne robí postkvantovú kryptografiu, v Olomouci na Palackého univerzite skúmajú fotoniku, České vysoké učení technické kvantové počítanie, „matfyz“ tiež. Mnoho ústavov akadémie vied sa zaoberá simuláciami látok, Ústav organickej chémie nám hovorí, že s aproximačnými metódami je to, akoby boli slepí, takže chcú výskum robiť „kvantom“. Hľadanie nových molekúl, simulácia nových látok, to je budúcnosť, v ktorej tradičné počítanie zlyháva a väčší výkon veľmi nepomôže, keďže ide o aproximačné metódy.
Ďalšia významná oblasť je kvantová senzorika. Senzory, ktoré dnes máme, sú postavené na binárnych hodnotách, keď sa však podarí vyvinúť kvantový senzor, môže byť mnohonásobne presnejší. Príde potom k priemyselnej revolúcii? Kvantové počítače môžu zrazu priniesť niečo, čo dramaticky zmení pomery v celých sektoroch. Najväčšia brzda pokroku je zatiaľ v tom, že ľudí, ktorí o problematike sú schopní premýšľať, je extrémne málo.
Foto Ondřej Pýcha
Ide o príliš ťažkú matematiku?
Pre mňa boli Laplacove transformácie, Diracov impulzy v kombináciis Fourierovými transformáciami podobné teórie z matematiky v škole už „na hrane.“ V kvante sú absolútnym základom. Budeme asi musieť veľmi zmeniť výuku, aby sme mali viac lepších matematikov. V rôznych štátoch bežia debaty, či by sa kvantum malo učiť nielen na strednej, ale aj na základnej škole. Mnoho ľudí je tomu naklonených, aby sa deti nejakou ľudskou formou s oblasťou zoznamovali. Máme napríklad kvantové lego a rôzne kvantové hry, kde niečo existuje v dvoch stavoch naraz – aby decká aspoň poznali aj takýto koncept.
Človek nemusí byť „deep fyzik“, aby sa oblasti mohol venovať, ide ale o to, aby sa začal zaoberať programovaním, zorientoval sa vo vývojovom prostredí Qiskit a začal inak premýšľať. V IBM sa snažíme abstrahovať od najnižších vrstiev na úrovni signálov a vyvinúť rutiny, aby mohli fungovať aj programátori, ktorí nie sú „čistí“ kvantoví fyzici. Ale je jasné, že pre core metódy musíte byť kvantový fyzik. Riešia sa tam nežiadúce interferencie medzi qubitami, ktoré ale pre niektoré algoritmy môžu byť aj žiaduce a veľa ďalších fyzikálnych javov, ktoré môžu pracovať pre nás, ak potrebujeme riešiť nové úlohy.
Akú pozíciu majú v kvantovom svete štáty, ako mocenskí hráči a investori?
Nechcem strašiť, ale to, že niekto vymyslí senzor, ktorý je miliónkrát presnejší, znamená, že ostatní to môžu „zabaliť“. Tí, čo niečo také dokážu, budú mať obrovskú výhodu na trhu. Vlády, ktoré majú prostriedky a rozumejú tomu, že kvantová výhoda môže byť aj gigantická, dávajú do oblasti veľké prostriedky. Čína to myslí extrémne seriózne a je mimoriadne trpezlivá. To isté urobili aj s AI aj s batériami, a európske automobilky dnes so strachom pozorujú, kam až sa dostane BYD a ďalšie čínske značky. To isté robia v kvante.
V komunikácii, kde existuje protokol QKD, quantum key distribution, už má Čína postavenú chrbtovú sieť. My sa horko-ťažko snažíme backbone urobiť, Európska únia dala každému štátu úlohu, aby aspoň naprieč krajinou urobil jeden spoj.
Je kvantum skôr oblasť, kde sa súťaží o kompetitívne výhody, alebo tu beží aj spolupráca?
Máme pol milióna ľudí na celom svete pracujúcich v prostredí Qiskit, vzniká veľká komunita, ktorá sa vývoju venuje. Pozícia open source je silná, mnohé „kusy kódu“ by raz mohlibyť voľne stiahnuteľné. Vymyslieť algoritmus, navrhnúť obvod a všetko odpilotovať, totiž trvá extrémne dlho a bolo by zbytočné znovu a znovu vynachádzať koleso.
Kde asi bude najväčšie úzke miesto kvantových počítačov?
Ak sa niečo dramaticky nezmení, je zatiaľ úloha postaviť kvantový počítač záležitosťou jedného až dvoch rokov. Musíte postaviť budovu bez akýchkoľvek otrasov, s veľmi veľa špecifikami, len potom do nej môžete dať kvantový počítač. Ak tu nepríde k prelomeniu problémov, extrémny nárast počtu počítačov asi tak skoro nenastane. Ale myslím, že toto vyriešime. Najväčší „bottleneck“ asi bude ľudstvo samo. Už vidíme, ako dlho trvá, kým človek začne byť produktívny v kvante. Sú však už aj univerzity, ktoré majú kvantové programy, v Kodani majú program až po PhD, so štyristo absolventmi každý rok. Kto to s kvantom myslí seriózne, investuje do zvyšovania kvalifikácie ľudí, bez nich to nepôjde.
V normálnom programovaní sa už dlho hovorí, zjednodušene, že ho AI bude robiť „skoro sama.“
Máme už veľa zákazníkov, ktorí používajú AI pomocníkov nie na to, aby programovali za nich, ale aby im veľmi pomáhali. Po svete napríklad beží veľa nedotknuteľných systémov, ktoré sú staré desiatky rokov a programátori už pre ne nie sú. Veľké jazykové modely dokážu, ak im ukážete kus zdrojového kódu, popísať normálnymi slovami, čo softvér robí. To je pre smrteľníka-programátora, ktorý sa má starať o zdedený kód, nepredstaviteľná výhoda. Prekladač jazykov, napríklad COBOL/Java umožňuje, že človek je schopný časti systému prerábať oveľa rýchlejšie.
Do akých oblastí sa „prekladače“ môžu rozšíriť – a kam nie?
Spoločnosť je potrebné veľmi vzdelávať, ale pokrok sa zastaviť nedá. Technológie je treba využívať v náš prospech. Príkladom oblasti, ktorá sa veľkým jazykovým modelom dlho bránila, je právo. Z prístupu „papier nikdy neopustíme“ sa už však časť právnikov posunula k porozumeniu faktu, že AI môže enormne pomôcť – napríklad koncipientom. Príde vám súdny spis s 30-tisíc stranami? Sumarizácia je potom skutočne geniálny nástroj. Ak vám AI „prežuje“ spis do 15-stranového sumára, ste schopný prípad aspoň na „high level“ pochopiť rýchlejšie. Právne kancelárie už začali nástroje používať a narastá tlak aj na sudcov a štátnych zástupcov.
AI pochopiteľne používajú aj silové zložky. Keď robia monitoringy a sumarizácie na základe webscrapingu, AI ich dramaticky posunula vpred. Pôvodne sa používalo enterprise či sémantické vyhľadávanie, ale toto je zásadný posun. Napríklad, jazykového modelu sa spýtate – vyber mi hlavné témy tejto dlhej a zložitej komunikácie, a použiť ich ako základ pre vyhľadávanie. Ale toto nie je oblasť kvanta, to je „bežná“ AI.
Tá je dnes všeobecne rozšírená. Príde doba, keď bude podobne všadepríomné aj „kvantum“?
Je to pravda, rôznymi algoritmami s AI už dnes obklopení sme, a ani to nevnímame. Na rozpoznávanie tvárí, biometriu, preklad hlasu, GPS a ďalšie stačí, že máte so sebou mobil. Možno niečo také raz príde aj v kvante. Zásadné preto je, aby si spoločnosť uvedomila, že môžete dať deti študovať niečo, čo bude za desať rokov absolútne cool. A som si takmer istý, že ľudia v kvante budú lepšie platení ako v AI.
