SPINQ Gemini Lab: Prvý kvantový počítač určený na výučbu na Slovensku

Kvantové počítače sa z experimentálnych laboratórnych zariadení postupne menia na platformy dostupné aj pre univerzitné vzdelávanie. Zatiaľ čo ešte pred niekoľkými rokmi boli kvantové technológie doménou veľkých výskumných centier a technologických gigantov, dnes sa objavujú aj kompaktné systémy, určené pre školy, univerzity a laboratóriá.

Praktická výučba kvantovej informatiky na FRI UNIZA

Kvantová informatika patrí medzi najperspektívnejšie oblasti súčasných technológií. Kombinuje fyziku, matematiku, informatiku a elektroniku do jedného interdisciplinárneho odboru. Univerzity preto čoraz častejšie hľadajú spôsob, ako študentom sprístupniť praktické experimenty s kvantovými systémami. Problémom býva vysoká cena klasických kvantových počítačov, náročné chladiace systémy a komplikovaná prevádzka.

Fakulta riadenia a informatiky Žilinskej univerzity sa vždy snažila, aby bola pri zavádzaní nových technológií do výučby v prvej línii, pretože chce, aby jej absolventi boli úspešní na trhu práce, ktorý si vyžaduje nové technológie, hlavne v oblasti informatiky. Takouto technológiou sú aj kvantové počítače. Na fakulte si už teraz uvedomujú, že trh práce začne vyžadovať absolventov, ktorí rozumejú kvantovej informatike.

„Nechceme to učiť len teoreticky, ale tak, aby študenti s kvantovým počítačom pracovali nielen simulačne, ale aj fyzicky. Vytvoríme nové zameranie kvantová informatika, kde budú predmety špecializované na kvantové výpočty či kvantové algoritmy. Podľa mojich informácií je to prvý kvantový počítač na ­Slovensku, ktorý bude reálne použitý na výuč­bu študentov,“ zdôraznil dekan fakulty prof. Ing. Emil Kršák, PhD.

Desktopový kvantový počítač SPINQ Gemini Lab

SPINQ Gemini Lab je navrhnutý špeciálne na výučbu a experimentálnu prácu. Kvantové počítače väčšinou pracujú pri veľmi nízkych teplotách, okolo -270 stupňov, naproti tomu SPINQ Gemini Lab môže fungovať pri izbovej teplote vďaka technológii nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR), ktorá sa už dlhodobo využíva v medicíne. Výhodná je stabilita, ale nevýhodou je, že kvantové počítače NMR dokážu pracovať len s malým množstvom qubitov [čítaj kjúbit], maximálny dosiahnutý počet je 12 pri laboratórnych podmienkach. Reálne kvantové počítače na tomto princípe majú 2-4 qubity. 

Qubit je jednotka informácie v kvantovej informatike. Zatiaľ čo klasický bit môže nadobúdať hodnotu  0 alebo 1, qubit môže existovať v superpozícii oboch stavov súčasne. Zjednodušene povedané, qubit je akoby súčasne aj v stave 0, aj v stave 1. 

Známy fyzik a laureát Nobelovej ceny za kvantovú fyziku Richard Feynman často tvrdil, že kvantovej fyzike nerozumie nik. Superpozíciu vysvetľoval tak, že rozlomil kriedu na dve časti a každú položil na inú stranu stola. Odpoveď na otázku, kde je krieda, znie, že sa nachádza tu aj tam zároveň.

Okrem superpozície využívajú kvantové počítače ešte ďalšie dva fyzikálne javy, ktorými sú kvantové previazanie a kvantová interferencia. Kvantové previazanie, ktoré Albert Einstein označil ako „strašidelné pôsobenie na diaľku,“ umožňuje prepojiť viacero qubitov do jedného spoločného kvantového systému. V dôsledku previazania sú stavy qubitov prepojené, takže stav jedného okamžite súvisí so stavom ostatných. Vďaka previazaniu a superpozícii pridanie každého ďalšieho qubitu zdvojnásobuje výpočtovú kapacitu kvantového počítača. V spomínanom kvantovom počítači teda možno mať v troch qubitoch 2³ hodnôt súčasne a vykonávať operácie nad celým týmto spoločným stavom.

Kvantová interferencia napokon slúži na to, aby kvantový počítač dokázal vybrať jeden správny výsledok zo všetkých možných hodnôt, ktoré spracúva súčasne. Tento jav funguje podobne ako vlny na hladine vody, ktoré sa pri stretnutí môžu buď spojiť a zosilnieť, alebo sa navzájom rušiť. Kvantový počítač cielene riadi tieto vlny tak, aby sa nesprávne odpovede navzájom rušili a tá jediná správna odpoveď sa maximálne zosilnila. Výsledkom je, že z neho nakoniec s veľmi vysokou pravdepodobnosťou vyjde hľadané riešenie.

Uvedené javy dávajú kvantovým počítačom potenciál riešiť niektoré úlohy výrazne efektívnejšie než klasické počítače. Ak sa qubit nachádza v superpozícii, jeho presný stav nie je známy až do okamihu merania. Meranie spôsobí kolaps kvantového stavu a výsledkom je hodnota 0 alebo 1 s určitou pravdepodobnosťou. Práve práca s pravdepodobnosťami a amplitúdami je základom kvantových algoritmov.

Kvantový počítač SPINQ Gemini Lab po­užíva dvoj- alebo trojqubitovú architektúru založenú na molekulárnych spinových stavoch. Veľká výhoda zariadenia je jeho samostatnosť. Systém obsahuje riadiacu elektroniku, používateľské rozhranie a softvérové nástroje na programovanie kvantových obvodov. Univerzita tak nepotrebuje budovať špecializované laboratórium s komplikovaným technickým zázemím a kvantový počítač je prenášateľný.

Technické parametre SPINQ Gemini Lab: Počet qubitov: 1~3; NMR frekvencia: 27.3 ± 2 MHz; čas koherencie: ~6s(T₁) ; ~300ms(T₂); presnosť - Groverov algoritmus: 0,86, ­Deutschov algoritmus: 0,90, rozmery - zložený: 427 × 259 × 396 mm, rozložený 991 × 396 × 222 mm, hmotnosť 18,5 kg; príkon 60 W. Cena: asi 70 000 EUR

Programovanie kvantových počítačov

Programovanie kvantového počítača sa zásadne líši od klasického programovania. Klasický algoritmus pozostáva zo sekvencie presne definovaných operácií nad dátami. Kvantový algoritmus pracuje s pravdepodobnosťami, superpozíciou a interferenciou. Študenti môžu priamo sledovať fungovanie kvantových operácií, experimentovať s algoritmami a analyzovať výsledky meraní. Oboznámia sa s princípmi kvantových výpočtov, programovaním kvantových algoritmov a fungovaním kvantových logických hradiel. 

Podobne ako klasické procesory využívajú logické operácie typu AND alebo OR, kvantové počítače používajú operácie meniace stav qubitov. Základom väčšiny algoritmov je operácia realizovaná Hadamardovým hradlom. Táto operácia prevádza klasický stav qubitu do superpozície. Dôležitú skupinu operácií reprezentujú Pauliho hradlá X, Y a Z. Pauliho hradlo X funguje podobne ako klasická operácia NOT a mení stav qubitu na opačný. Pauliho hradlo Y vykonáva rotáciu kvantového stavu okolo osi Y na Blochovej sfére a zároveň mení fázu qubitu. Pauliho hradlo Z nemení pravdepodobnosti stavov, ale mení ich fázu, čo je veľmi dôležité pri interferencii kvantových stavov.

Mimoriadne dôležitú operáciu realizuje hradlo CNOT (Controlled NOT). Na rozdiel od predchádzajúcich operácií ide o dvojqubitovú operáciu, pri ktorej jeden qubit riadi zmenu druhého qubitu. Ak je riadiaci qubit v stave 1, cieľový qubit sa invertuje. CNOT je základná operácia na vytváranie kvantovej previazanosti medzi qubitmi. Pri zložitejších algoritmoch sa využíva aj brána CCNOT, známa ako Toffoliho brána. Ide o trojqubitovú operáciu, pri ktorej dva riadiace qubity rozhodujú o zmene tretieho qubitu. Táto operácia má veľký význam pri konštrukcii komplexných kvantových obvodov a korekcii chýb. 

Jedna z výhod SPINQ Gemini Lab je možnosť grafického programovania. Výučba kvantovej informatiky často naráža na problém vysokej abstraktnosti matematiky a fyziky. Grafické prostredie preto umožňuje študentom jednoduchšie pochopiť fungovanie kvantových obvodov. Používateľ vytvára kvantový algoritmus skladaním blokov reprezentujúcich jednotlivé brány. Každý qubit je zobrazený ako horizontálna línia a operácie sa ukladajú postupne v čase. Študent tak môže vizuálne sledovať, ako sa mení stav systému po jednotlivých krokoch.

„Grafické programovanie umožňuje rýchle experimentovanie. Študent môže meniť poradie operácií, pridávať nové hradlá a okamžite sledovať výsledky meraní. Takýto prístup výrazne uľahčuje pochopenie princípu interferencie a previazanosti. Veľká výzva je pochopenie toho, že výsledok kvantového výpočtu nie je deterministický, ale pravdepodobnostný,“ vysvetľuje prodekan pre vedu a výskum doc. Ing. Miroslav Kvaššay, PhD.

Kvantové algoritmy používané vo výučbe

Jeden z najznámejších jednoduchých kvantových algoritmov používaných pri výučbe je Deutschov algoritmus. Jeho cieľom je určiť vlastnosť funkcie pomocou jediného vyhodnotenia. Klasický počítač by v niektorých prípadoch potreboval viacero krokov. „Qubity sa pripravia do superpozície pomocou Hadamardovho hradla a následne sa nad nimi vykoná kvantová operácia reprezentujúca skúmanú funkciu. Výsledok sa zmeria po ďalšej aplikácii Hadamardovho hradla,“ dopĺňa doktorand Ing. Tomáš Sobek, prvý študent, ktorý s týmto kvantovým počítačom už pracuje. Aj keď ide o jednoduchý experiment, demonštruje schopnosť kvantového systému spracovať viacero stavov naraz.

Groverov algoritmus slúži na vyhľadávanie v neusporiadanej databáze. Klasický počítač musí pri hľadaní konkrétneho prvku postupne kontrolovať jednotlivé položky. Kvantový Groverov algoritmus dokáže túto úlohu riešiť výrazne efektívnejšie, pričom využíva princíp amplitúdovej interferencie. Algoritmus začína vytvorením superpozície všetkých možných stavov pomocou Hadamardových hradiel. Následne sa opakovane vykonávajú operácie zosilňujúce pravdepodobnosť správneho výsledku a potláčajúce nesprávne riešenia.

Význam kvantových počítačov vo vzdelávaní

Kvantové technológie budú v nasledujúcich desaťročiach zohrávať čoraz významnejšiu úlohu v informatike, kryptografii, simuláciách materiálov či farmaceutickom výskume. Univerzity preto potrebujú pripraviť študentov na prácu s kvantovými systémami. SPINQ Gemini Lab predstavuje zaujímavý kompromis medzi profesionálnym výskumným zariadením a učebnou pomôckou. Umožňuje praktickú výučbu bez potreby extrémne drahej infraštruktúry. Veľký prínos je interdisciplinárny charakter výučby. Študenti informatiky sa oboznamujú s princípmi kvantovej fyziky, zatiaľ čo fyzici získavajú skúsenosti s programovaním a algoritmami. Takéto prepojenie odborov je jedna z najdôležitejších charakteristík modernej kvantovej informatiky.

 

 

Zobrazit Galériu