Co dokáže kvantový počítač a k čemu může být v budoucnu užitečný? První odpovědi hledají čeští vědci, kteří získali přístup k VLQ, prvnímu kvantovému počítači instalovanému v České republice. Na reálném kvantovém hardwaru budou testovat například odhalování hlasových deepfake vytvořených umělou inteligencí, simulace molekul důležitých pro vývoj léčiv nebo analýzu elektrických sítí. Současně si výzkumníci osvojují práci s technologií, která se od klasických superpočítačů v mnoha ohledech zásadně liší.

Přístup ke kvantovému počítači VLQ získalo prostřednictvím 37. Veřejné grantové soutěže IT4Innovations 16 projektů z českých výzkumných institucí. Mezi úspěšnými žadateli jsou vědci z Akademie věd ČR, VŠB – Technické univerzity Ostrava, Univerzity Karlovy a Vysokého učení technického v Brně.

„První projekty jsou důležitým krokem k tomu, aby vědci získali zkušenosti s reálným kvantovým hardwarem. Současné kvantové počítače nenahrazují klasické superpočítače, ale otevírají prostor pro vývoj nových algoritmů, aplikací a odborných znalostí, které jsou důležité pro rozvoj kvantových technologií,“ říká Branislav Jansík, ředitel superpočítačových služeb IT4Innovations.

Od umělého hlasu až po elektrickou síť

Jedním z projektů je výzkum Antona Firce z Vysokého učení technického v Brně, který zkoumá možnosti využití kvantových metod při odhalování takzvaných audio deepfake, tedy hlasových nahrávek vytvořených pomocí umělé inteligence. Kvantově-klasické modely porovná s běžnými metodami strojového učení a ověří, zda mohou pomoci spolehlivěji rozpoznávat syntetický hlas.

Kombinaci umělé inteligence a kvantových metod zkoumá také Van Binh Henri Vu z IT4Innovations. Jeho projekt se zaměřuje na analýzu finančních transakcí a hledání vzorců souvisejících s podezřelým chováním, například s praním špinavých peněz.

Další výzkumníci využijí VLQ pro simulace molekul a materiálů. Przemyslaw Karol Grenda z Univerzity Karlovy bude kombinovat umělou inteligenci, kvantovou chemii a kvantové výpočty při simulacích enzymů souvisejících se zpracováním léčiv v lidském těle. Na elektronovou strukturu molekul se zaměří také Libor Veis z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, který bude na VLQ testovat kvantově-klasické metody pro výpočty molekul se složitými elektronovými vazbami a zkoumat jejich přesnost a odolnost vůči šumu současných kvantových počítačů. Maximilián Lamanec z IT4Innovations bude pomocí kvantových a klasických výpočtů zpřesňovat simulace Augerových spekter, která pomáhají odhalovat elektronovou strukturu molekul. Na VLQ bude testovat nové kvantově-klasické postupy pro výpočty elektronových stavů molekul. Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR bude zkoumat vliv šumu v současných kvantových počítačích na výpočty elektronových struktur krystalických materiálů.

Pavel Baláž z Fyzikálního ústavu AV ČR bude zkoumat možnosti využití umělé inteligence pro efektivnější charakterizaci kvantových stavů a získávání spolehlivých informací z menšího množství měření.

Jak se vlastně pracuje s kvantovým počítačem?

Vědci k VLQ nepřistupují přímo – připravují kvantové algoritmy a obvody, odesílají je ke zpracování a následně analyzují získané výsledky. První zkušenosti s VLQ nyní získává také Michal Belina z IT4Innovations, který ve svém projektu ověřuje možnosti využití kvantových algoritmů pro analýzu elektrických sítí.

O své první zkušenosti s VLQ a o tom, co předchází samotnému výpočtu,
se podělil v rozhovoru:

Jak vypadá cesta od nápadu k prvnímu výpočtu na VLQ? Co musí výzkumník udělat, než se jeho úloha dostane ke kvantovému čipu?

MB: Pracovní postup se principiálně neliší od úloh spouštěných na klasických superpočítačích. Začněme tím, že máme nápad. Tím nápadem se většinou myslí dvojice – problém a návrh jeho řešení. To by mělo poskytovat nějakou výhodu oproti stávajícím řešením, například úsporu času, nákladů nebo výpočetní náročnosti.

Nápad poté převedeme z matematické formulace do podoby konkrétního kódu/programu. Toto už musí být provedeno s ohledem na typ počítače, na kterém budu problém řešit. Pak otestujeme, jestli navržené řešení zvládne problém vyřešit, případně jak efektivně. Toto testování se v případě kvantových řešení provede v první řadě na simulátoru kvantového počítače. Menší kvantové počítače lze nasimulovat i na stolním počítači, případně může pomoci superpočítač. Toto slouží k otestování funkčnosti navrženého řešení a pomůže nám to odhadnout časovou náročnost pro větší systémy.

Dalším krokem je získání přístupu k VLQ: jedna z možností je prostřednictvím grantové soutěže otevřené všem zaměstnancům výzkumných organizací v ČR. Získáním výpočetního času obdržím přístupové údaje k VLQ: webový přístup, který mi umožní sledovat aktuální stav kvantového počítače i moje aktuální a dokončené výpočetní úlohy.

Dále pak získám přístupový token, něco jako klíč, kterým podepisuji výpočty, aby bylo zjevné, že patří mně. To je z důvodu sledování spotřebovaného výpočetního času. Takto podepsané instrukce pošlu do frontového systému, který řídí, kdy a která výpočetní úloha poběží na VLQ a zaznamená spotřebovaný výpočetní čas.

Jak vypadá pracovní prostředí člověka, který připravuje výpočty pro kvantový počítač?

MB: Mám pracovní notebook, přes který jde prakticky veškerá má práce. Konkrétně v něm pro vytváření kvantových algoritmů používám standardní programátorské IDE, tedy vývojové prostředí. Slouží programátorům například pro rychlejší orientaci v kódu, správu proměnných a posledních letech i využití AI nástrojů. Dlouho jsem používal Spyder, ale v poslední době jsem přešel na Antigravity IDE.

Kvantové algoritmy píšu v jazyce Python. Specifické je používání knihoven pro kvantové počítání. Ty poskytují objekty reprezentující kvantové obvody a operace, z nichž sestavuji konkrétní algoritmy, a následně je překládají do instrukcí pro konkrétní kvantový hardware, jako je například VLQ.

Instrukce mají podobu velmi krátkých mikrovlnných pulzů. Finální program pak spustím v IDE nebo přes příkazový řádek a po prodlevě, která závisí na délce mého algoritmu a aktuální vytíženosti VLQ, obdržím nějakou sadu nul a jedniček: výsledek. Třeba rozpětí napětí na uzlu sítě, při kterém ještě bude síť fungovat.

Jaká byla tvoje první úloha spuštěná na VLQ?

MB: Úplně první úloha, kterou jsem spustil, byla testovací úloha, která měla dva cíle. Zaprvé ukázat, jak se připojit k VLQ prostřednictvím VPN, zadruhé demonstrovat, jak dobře kvantový počítač VLQ dokáže vytvořit kvantově provázané stavy. Předtím jsem pouštěl úlohy na kvantových počítačích od IBM, ale to se mi jevilo jako velmi abstraktní podnik: všechno běží přes cloudové služby a člověk vlastně neví, kde přesně se ty stroje nacházejí. S VLQ to bylo jiné. Viděl jsem jej předtím na vlastní oči, viděl jsem, že se přihlašuji do VPN IT4Innovations, že mě to netáhne nikam do neznáma, ale prostě tady o pár dveří vedle.

Dovolil bych si jenom poznámku: Kvantové počítače jsou založeny na principech kvantové mechaniky – velmi neintuitivní teorie, která ovšem funguje pozoruhodně dobře. S gravitací jsme se všichni nějak smířili: potvrdí to naše odřená dětská kolena. Smířit se s principy kvantové mechaniky je ale podstatně těžší, protože tady už nám nepomůžou ani kolena ani zkušenosti z běžného života. Pokud ale budeme s kvantověmechanickými principy v každodenním kontaktu, začneme je vnímat jako jednu ze zákonitostí světa, ve kterém žijeme. Tedy stejně přirozeně jako gravitaci.

Co je na práci s kvantovým počítačem nejvíc překvapivé oproti klasickému superpočítači?

MB: Kvantové počítače současnosti jsou experimentálními zařízeními, která jsou zatížena výraznou chybovostí. Běžní uživatelé klasických počítačů nějaké chyby správně fungujícího hardwaru neřeší. Excel bude fungovat stejně v pondělí i v pátek (pokud se samozřejmě nerozbije softwarově), „gamesku“ si taky zahrajete nejspíš stejně. Většina programátorů a informatiků také neřeší chybovost jednotlivých operací klasického hardwaru. Je totiž velmi nízká a existují korekční kódy, které případnou chybu podchytí.

Kvantový počítač však dává jiné výsledky v pondělí a v pátek. Ne výrazně jiné, ale je běžnou praxí ukládat si nejaktuálnější statistiky z VLQ souběžně s provedenými experimenty. Při srovnávání výsledků z různých experimentů tak můžu nahlédnout i do toho, v jakém stavu se VLQ nacházel v době provedení experimentu. Kupříkladu, chybovost čtení stavu qubitu se může měnit o procento mezi několika dny naprosto běžně. Ideálně budou takovéto chyby v budoucnu potlačeny a nebudeme je muset brát v potaz, ale zatím to tak není.

Když se podíváme na tvůj konkrétní projekt – kde by mohly kvantové algoritmy v budoucnu pomoci při analýze elektrických sítí?

MB: Elektrické sítě v současnosti podstupují radikální změnu, a to prostřednictvím přidávání obnovitelných zdrojů, jejichž produkce elektrické energie se mění podle počasí, a tím roste nejistota v provozu sítě. Také je těmito zdroji narušena schopnost samoregulace sítě, kterou mají inherentně turbínové zdroje například v tepelných elektrárnách. Zdroje primárně stejnosměrného proudu, jako třeba solární panely, tuto schopnost nemají. Řízení přenosových soustav tak vyžaduje mnohem detailnější a rychlejší řízení než před desítkami let. Výzkum je úzce napojen na projekt ZEUS, který zkoumá komunitní energetiku typickou větším množstvím menších a obnovitelných zdrojů.

V našem výzkumu zkoumáme takzvaný intervalový výpočet chodu sítě. Zajímá nás, jaké jsou hraniční hodnoty, při kterých síť bude ještě bezpečně fungovat. Současné metody jsou zatížené systematickým zúžením bezpečných intervalů nebo škálují exponenciálně s velikostí sítě. Kvantový přístup formulujeme jako optimalizační úlohu a ověřujeme, zda dokáže efektivněji hledat nejhorší možné provozní stavy.

Na VLQ budeme tento přístup testovat na nejmenších modelech elektrických sítí a výsledky porovnávat s klasickými metodami.

 

Více o prvních vybraných projektech na kvantovém počítači VLQ: https://www.it4i.cz/vyzkum/uzivatele-a-jejich-projekty/kompletni-seznam-projektu-nasich-uzivatelu