Digitální a kvantové počítače, část 8

Porovnání digitálních a kvantových počítačů, část 8: Technologie kvantových počítačů

Každého v oblasti IT zajímá, jak velkou hrozbou pro kryptografii jsou kvantové počítače a jak se s daným problémem vyrovnat. Tato série článků se snaží populární formou tento problém vysvětlit. Po odhadu nároků na příkon je důležité se seznámit se studovanými a používanými technologiemi.

Přehled technologií

Člověk, kterého problematika kvantových počítačů zajímá, by si měl udělat přehled o využitelnosti technologií uvedených zařízení. Zde takový seznam je, ale nesnaží se být vyčerpávající. Spíše se jedná o přehled těch dostupných a používaných. Navíc, u objemu zařízení je uvedena hodnota včetně všech podpůrných komponent (chlazení včetně kompresorů, vakuové pumpy, řízení, měření, klasické počítače pro následné výpočty a další). Na základě příkonu je tak možné odhadnout velikost vlastních výpočetních komponent. Takový odhad je zatížen chybou, protože bez konkrétních znalostí konstrukce není možné získat dostatečné množství upřesňujících údajů.

TechnologiePracovní teplotaPříkon počítačePříkon chlazení Příkon systémuObjem zařízeníPočet qbitů

Supravodivé qubity

(IBM, Google)

10–20 mK~mW 15–25 kW15–25 kW~1–2 m350-127

Trapped ions

(IonQ, Honeywell)

μK~mW ~20 kW~25 kW~1 m310-32

Neutrální atomy

Optické pasti

μK~mW 5–10 kW5–10 kW<1 m350-200
Fotonické qubitypokojová~mW0,5–1 kW 4–5 kW<1 m350-200

Spinové qbity

v polovodičích

(Si, SiGe)

10–100 mK ~mW~mW10–20 kW<1 m310-50

Takový pohled svádí k pocitu, že vlastní kvantové technologie jsou obrovské komplexy. Situace je ale výrazně odlišná. Současné kvantové procesory, přestože jsou vůči digitálním procesorům obrovské, jsou relativně malé. Ale poměr objemu chladicího systému vůči vlastnímu objemu kvantovému procesoru je přibližně v rozmezí 107:1 až 108:1. Největší objem v systému tedy zabírá chladicí a izolační systém. Pro srovnání přehled rozměrů vlastních procesorů a chladicích systémů.

TechnologieObjem QPUObjem chlazeníPoměr
Supravodivé qbity~0,1 cm310–30 m3108:1
Spinové qbity (Si)~0,05 cm35–20 m3108:1
Iontové pasti~5 cm3~0,5–2 m3105–106:1
Neutrální atomy~1 cm3~0,3–1 m3105–106:1
Fotonické čipy~0,5 cm3~0,1 m3104–105:1

Pokud bychom se bavili pouze o technologiích a používaných pracovních teplotách, z dostupných zdrojů je možné poskytnout následující přehled. Opět, tento přehled není dokonalý a obsahuje pouze veřejně dostupné informace. Takový přehled ukazuje, že některé typy kvantových obvodů nejsou pro počítače za současné úrovně znalostí vhodné, jiné vyžadují příliš nízké teploty, a tudíž významné nároky na energetické zdroje pro odpovídající chlazení.

TechnologieStavTyp qubituTypická pracovní teplotaPoznámka
Supravodivé Josephsonovy obvody
(SQUID)
ProdukčníMakroskopický supravodivý obvod 10–20 mKIBM, Google, Rigetti
Iontové pastiProdukčníVnitřní stav iontu~300 K (ionty efektivně ~mK) IonQ, Quantinuum
Neutrální atomy
(Rydberg)
ProdukčníExcitované atomy1–10 μK QuEra, Pasqal
Lineární optické QCAktivní výzkumFotony300 K (detektory 1–4 K) Xanadu
NV (nitrogen vacacny)
centra v krystalech diamantu
Produkční / senzoryElektronový spin 300 K (lepší <10 K)RT qubity
Spinové qubity v polovodičích
(Si, GaAs)
Aktivní výzkumSpin elektronu10–100 mK Intel, akademické
Donorové qubity
(P:Si, Bi:Si)
Aktivní výzkumJaderný / elektronový spin10–100 mK Velmi dlouhá koherence
Topologické qubity
(Majoranovy fermiony)
VýzkumNeabelovské kvazičástice10–50 mK Zatím bez funkčního qubitu?
Bose–Einsteinův kondenzát
(BEC)
VýzkumKolektivní stav10–100 nKSimulace
Optické mřížkyVýzkumNeutrální atomynK–μKKvantové simulátory
CQED
(atomy v dutinách)
Aktivní výzkumAtom–fotonμK–mKSilná vazba
Kvantové tečky
(poloha náboje)
VýzkumNáboj<100 mKSilná dekoherence
Kvantové tečky
(spintronika)
Aktivní výzkumSpin10–100 mKVelmi slibné
Elektrony na heliuVýzkumSpin / orbitál<100 mKExtrémně nízký šum
Fullerenové pasti
(spintronika)
VýzkumSpin<10 KESR manipulace
Uhlíkové nanosféry
(spintronika)
TeoretickéSpin<10 KMateriálový výzkum
Molekulární magnetyVýzkumMolekulární spin<1 KKrátká koherence
Magnonové qbityVýzkumSpinová vlna<1 KHybridní systémy
Mechanické qbity
(optomechanika)
VýzkumVibrační módy<100 mKHybridní
Excitonové qbityVýzkumExciton<10 KKrátká životnost
PolaritonyVýzkumSvětlo–hmota4–300 KAnalogové simulace
Superfluidní helium
(fonony, víry)
VýzkumKolektivní módy<1 KNízký šum
NMR QC – roztokHistorickéJaderné spiny300 KNeškálovatelné
Solid-phase NMR
(fosfor v Si)
Aktivní výzkumJaderný spin<1 KVysoká stabilita
Hybridní atom–fotonické systémyVýzkumSmíšenéμK–mKKvantové sítě
Floquet qbityTeoretické / výzkumPeriodicky řízenéPlatformově závisléTopologické fáze

Na základě uvedených informací je možné velice hrubě extrapolovat možnou existenci kvantových počítačů. Pokud by se je podařilo postavit, vzhledem k postupu v miniaturizaci by možná mohly dosáhnout následujících parametrů. Takový odhad ukazuje, že teoreticky bychom byli schopni některé počítače vyvinout, ale energetické nároky by byly extrémní. Problém takové úvahy naráží na omezení, dané odhadem objemu systému. V současnosti jsou dostupné objemy včetně chladicích technologií, izolace a podpůrných systémů, takový odhad je proto značně problematický. Odhady objemu na základě současných informací (to se může výrazně změnit) pak jsou asi následující:

TechnologiePravděpodobnost CRQC 2035–2040Pracovní teplota Odhad fyzických qubitůOdhad objemu systémuEkvivalent koule (průměr)Poznámka
Supravodivé qubity
(Josephson)
Vysoká10–20 mK1–20 mil. 300–1000 m38–12 mNejrychlejší roadmapy, vysoký overhead chlazení
Iontové pastiStřední – vysokáionty μK, HW ~300 K1–10 mil. 200–600 m37–10 mVýborná koherence, pomalejší brány
Neutrální atomy
(Rydberg)
Střední – vysoká1–10 μK1–10 mil. 150–500 m36–9 mVelká hustota qubitů
Topologické / cat qubityStřední (nejisté)10–50 mK0,1–1 mil. 100–300 m36–8 mPotenciálně nízký overhead, ale neověřené
Fotonické QC
(error-corrected)
Střední 300 K (detektory 1–4 K)10–100 mil. (virtuální)50–200 m34–7 mŽádná hluboká kryogenika
Spinové qubity v Si
(CMOS)
Střední10–100 mK 1–10 mil.100–400 m36–9 mVysoká integrace, pomalejší vývoj

Pokračování bude v části Celkové zhodnocení kvantových počítačů (6.dubna 2026)

Reference:

  1. Superconducting Qubits: Current State of Play
    Zdroj: Home page webu
  2. High-fidelity quantum logic gates using trapped ions
    Zdroj: Home page webu
  3. Programmable Rydberg atom arrays for quantum computing
    Zdroj: Home page webu
  4. Photonic quantum computing: from fundamental principles to experimental implementations
    Zdroj: Home page webu
  5. Diamond NV centers for quantum sensing and computing
    Zdroj: Home page webu
  6. Silicon quantum electronics
    Zdroj: Home page webu
  7. Quantum computing with donor spins in silicon
    Zdroj: Home page webu
  8. Topological quantum computation
    Zdroj: Home page webu
  9. Bose–Einstein condensation in dilute gases
    Zdroj: Home page webu
  10. Cavity quantum electrodynamics: Strong coupling and applications
    Zdroj: Home page webu
  11. Quantum dot qubits for quantum computation
    Zdroj: Home page webu
  12. Electrons on helium: a platform for quantum computing
    Zdroj: Home page webu
  13. Fullerene-based spin qubits: principles and applications
    Zdroj: Home page webu
  14. Molecular nanomagnets as qubits for quantum computing
    Zdroj: Home page webu
  15. Optomechanical quantum systems and mechanical qubits
    Zdroj: Home page webu
  16. Exciton-polariton qubits in semiconductor microcavities
    Zdroj: Home page webu
  17. Superfluid helium as a platform for quantum simulations
    Zdroj: Home page webu
  18. NMR quantum computation in liquid-state systems
    Zdroj: Home page webu
  19. Hybrid atom–photon quantum networks
    Zdroj: Home page webu
  20. Floquet engineering of quantum systems: topological phases
    Zdroj: Home page webu

Autor článku:

Jan Dušátko
Jan Dušátko

Jan Dušátko se počítačům a počítačové bezpečnosti věnuje již skoro čtvrt století. V oblasti kryptografie spolupracoval s předními odborníky např. s Vlastimilem Klímou, či Tomášem Rosou. V tuto chvíli pracuje jako bezpečnostní konzultant, jeho hlavní náplní jsou témata související s kryptografií, bezpečností, e-mailovou komunikací a linuxovými systémy.

1. Úvodní ustanovení

1.1. Tyto všeobecné obchodní podmínky jsou, není-li ve smlouvě písemně dohodnuto jinak, nedílnou součástí všech smluv týkajících školení, pořádaných nebo poskytovaných školitelem, Jan Dušátko, IČ 434 797 66, DIČ 7208253041, se sídlem Pod Harfou 938/58, Praha 9, zapsané u Úřadu městské části Praha 9 (dále jen „školitel“).
1.2. Smluvními stranami ve všeobecných obchodních podmínkách jsou míněni školitel a objednatel, kdy objednatel může být zároveň zprostředkovatelem smluvního vztahu.
1.3. Záležitosti, které nejsou upravené těmito obchodními podmínkami, se řeší podle Občanského zákoníků, tj. zákon č. 89/2012 Sb.

2. Vznik smlouvy přihlášením ke kurzu

2.1. Přihláškou se rozumí jednostranný úkon objednatele adresovaný školiteli prostřednictvím datové schránky s identifikací euxesuf, e-mailu na adresu register@cryptosession.cz nebo register@cryptosession.info, internetových stránek cryptosession.cz, cryptosession.info nebo kontaktním telefonem +420 602 427 840.
2.2. Odesláním přihlášky objednatel souhlasí s těmito všeobecnými podmínkami a prohlašuje, že se s nimi seznámil.
2.3. Přihláška se považuje za přijatou momentem potvrzení (stadnardně do 2 pracovních dní) školitelem nebo zprostředkovatelem. Toto potvrzení je zasláno do datové schránky nebo na kontaktní e-mail.
2.4. Standardní doba pro přihlášení je nejpozději 14 pracovních dní před konáním vzdělávací akce, pokud není uvedeno jinak. V případě fyzické nepodnikající osoby musí být objednávka alespoň 28 pracovních dní před konáním vzdělávací akce.
2.5. Na jednu přihláškou lze přihlásit i více než jednoho účastníka.
2.6. Pokud je více než 10 účastníků od jednoho objednatele, je možné se domluvit na školení v místě sídla zprostředkovatele nebo objednatele.
2.7. Přihlášky jsou přijímány a zpracovávány v pořadí, v jakém došly poskytovateli. Poskytovatel neprodleně informuje objednatele o všech skutečnostech. Těmi se míní naplnění kapacity, příliš nízký počet účastníků, nebo jiný závažný důvod, jako je nemoc lektora nebo zásah vyšší moci. Objednateli bude v tomto případě nabídnut nový termín, případně účast na jiné vzdělávací akci. V případě, že objednatel nebude s přesunutím či účastí na jiné nabídnuté vzdělávací akci souhlasit, poskytovatel mu vrátí účastnický poplatek. Nedostatečný účastníků je oznámen objednateli alespoň 14 dní před začátkem plánovaného termínu.
2.8. Smlouva mezi poskytovatelem a objednatelem vzniká odesláním potvrzení poskytovatelem objednateli.
2.9. Smlouvu lze změnit nebo zrušit pouze za splnění zákonných předpokladů a pouze písemně.

3. Zánik smlouvy zrušením přihlášky

3.1. Přihláška může být objednatelem zrušena pomocí e-mailu, nebo pomocí datové schránky.
3.2. Zákazník má právo stornovat svoji přihlášku na kurz 14 dní před konáním kurzu bez jakýchkoliv poplatků. Pokud se jedná o kratší dobu, dochází k následné změně. V intervalu 7-13 dní je účtován administrativní poplatek 10%, storno účasti v kratším intervalu než 7 dní pak poplatek 25%. V případě storna přihlášky nebo objednávky ze strany zákazníka je nabízena možnost účasti zákazníka v náhradním termínu bez dalšího poplatku. Právo na zrušení přihlášky zaniká realizací objednaného školení.
3.3. Při zrušení přihlášky školitelem náleží objednateli plná náhrada za neuskutečněnou akci.
3.4. Objednatel má právo žádat náhradní termín nebo náhradní školení. V takovém případě bude objednatel informován o všech otevřených kurzech. Náhradní termín si nelze vymáhat ani vynucovat, závisí na aktuální dostupnosti kurzu. Pokud má náhradní školení nižší cenu, objednatel doplatí rozdíl. Pokud má náhradní školení nižší cenu, školitel vrátí rozdíl cen školení objednateli.

4. Cena a platební podmínky

4.1. Odesláním přihlášky objednatel akceptuje smluvní cenu (dále jen účastnický poplatek) uvedenou u daného kurzu.
4.2. V případě více účastníků přihlášených jednou přihláškou je možná sleva.
4.3. Účastnický poplatek musí být uhrazen na bankovní účet společnosti vedený u Komerční banky č. 78-7768770207/0100. Při platbě je nutné uvést variabilní symbol, který je uveden na faktuře, odeslané objednateli školitelem.
4.4. Účastnický poplatek zahrnuje náklady poskytovatele včetně školicích materiálů. Poskytovatel je plátce DPH.
4.5. Účastnický poplatek je objednatel povinen uhradit do 14 pracovních dní od přijetí faktury, pokud nebylo samostatnou smlouvou uvedeno jinak.
4.6. Pokud se přihlášená osoba neúčastní školení a nedošlo k jiné domluvě, je její neúčast považována za storno příhlášku v intervalu kratším než 7 dní, tj. školiteli náleží odměna ve výši 25% z ceny kurzu. Přeplatek je vrácen do 14 dní na platební účet odesílatele, ze kterého byly prostředky odeslány. Platba na jiné číslo účtu není možná.
4.7. Nejdéle do 5 pracovních dní od začátku školení bude školitelem vystavena faktura, která bude dle dohody odeslána e-mailem nebo datovou schránkou.

5. Podmínky školení

5.1. Školitel je povinnen informovat objednatele 14 dní dopředu o místě a času školení, včetně termínu zahájení a ukončení denního programu.
5.2. Pokud objednatel není studentem kurzu, je povinnen zajistit distribuci těchto informací koncovým účastníkům. Za nesplnění těchto podmínek školitel nenese odpovědnost.
5.2. Standardně školení probíhá v čase od 9:00 do 17:00 na předem určeném místě.
5.3. Školitel může být dle aktuálních podmínek k dispozici od 8:00 do 9:00 a následně od 17:00 do 18:00 pro dotazy účastníků.
5.4. Na konci školení je koncovým uživatelům předán certifikát o absolovování.
5.5. Na konci školení koncoví uživatelé vyhodnocují přístup lektora a mají se vyjádřit k ohodnocení jeho prezentace, způsobu přednesení a ohodnotit významn poskytnutých informací.

6. Reklamace

6.1. Pokud je účastník hrubě nespokojen s průběhem kurzu, je školitel o této informaci vyrozuměn.
6.2. Důvody nespokojenosti jsou ten samý den zapsány do protokolu ve dvou kopiích. Jedna je předána objednateli a jednu má školitel.
6.3. Vyjádření k reklamaci bude podáno e-mailem do dvou týdnů. Následně do jednoho týdne bude domluven způsob řešení.
6.4. Nespokojenost zákazníka může být důvodem k rozvázání další spolupráce, nebo finanční kompenzaci až do výše ceny školení po odečtení nákladů.

7. Autorská práva k poskytnutým materiálům

7.1. Školicí materiály poskytnuté školitelem v rámci konání školení splňují znaky autorského díla dle zákona č. 121/2000 Sb.
7.2. Žádný ze školicích materiálů ani jeho část nesmí být bez předchozího písemného souhlasu školitele jakýmkoli způsobem dále zpracovávána, rozmnožována, rozšiřována nebo využívána k dalším prezentacím nebo školením.

8. Zodpovědnost

8.1. Školitel nepřebírá odpovědnost za nedostatky ve službách kterékoliv třetí strany, kterou využívá při školeních.
8.2. Školitel nepřebírá odpovědnost za zranění, škody a ztráty, vzniklé účastníkům vzdělávacích akcí, nebo které byly účastníky způsobeny. Takové náklady, způsobené uvedenými okolnostmi, ponese výhradně účastník vzdělávací akce.

9. Platnost podmínek

9.1 Tyto všeobecné obchodní podmínky jsou platné a účinné od 1. října 2024.

Informace o sběru a zpravování osobních údajů

Zpracovatel Jan Dušátko (dále jen „Správce“), dle nařízení Evropského parlamentu a Rady (EU) č. 2016/679 o ochraně fyzických osob v souvislosti se zpracováním osobních údajů a o volném pohybu těchto údajů a o zrušení směrnice 95/46/ES (obecné nařízení o ochraně osobních údajů, dále jen „Nařízení“) zpracovává osobní údaje. Dále jsou rozepsané jednotlivé osobní údaje, které jsou součástí zpracování při konkrétních aktivitách u této webové prezentace a v rámci obchodního styku.
Přestože je sběr dat všudypřítomný, provoz tohoto webu si zakládá na právu na soukromí každého uživatele. Z uvedeného důvodu sběr informací o uživatelích probíhá v naprosto nezbytné míře a to jen v případě, kdy se uživatel rozhodne kontaktovat provozovatele. Jakýkoliv další sběr a zpracování dat považujeme za neetický.

Informace o záznamech přístupu na webovou prezentaci

Tento web nesbírá žádné cookies. Stránka nepoužívá ani žádné analytické scripty třetích stran (sociální sítě, cloud provideři). Z těchto důvodů je také nabízena volba pro zobrazení mapy formou odkazu, kde primárním zdrojem je OpenStreet a alternativy pak často používané Mapy společnosti Seznam, a.s., případně Google Maps společnosti Google LLC Inc. Využití jakéhokoliv z těchto zdrojů je zcela na libovůli uživatelů těchto stránek. Správce nenese odpovědnost za sběr dat realizovaný těmito společnostmi, neposkytuje jim data o uživatelích a na sběru dat nespolupracuje.
Logování přístupů probíhá pouze na úrovni systému, důvodem je identifikace případných technických nebo bezpečnostních problémů. Dalšími důvody jsou přehledové statistiky přístupů. V této oblasti se nesbírají ani nesledují žádné konkrétní údaje a všechny záznamy o přístupech jsou po třech měsících mazány.

Informace o kontaktování provozovatele stránek

Formulář pro kontaktování provozovatele stránek (správce) obsahuje následující osobní údaje: jméno, příjmení, e-mail. Tyto údaje jsou určeny jen a pouze pro tuto komunikaci, odpovídající oslovení uživatele a jsou udržovány po dobu nezbytnou k naplnění účelu, maximálně pak po dobu jednoho roku, pokud si uživatel neurčí jinak.

Informace o objednávkovém formuláři

Pro případ zájmu o objednávku formulář obsahuje více údajů, tj. jméno, příjmení, e-mail a kontaktní údaje na organizaci. Tyto údaje jsou určeny jen a pouze pro tuto komunikaci, odpovídající oslovení uživatele a jsou udržovány po dobu jednoho roku, pokud si uživatel neurčí jinak. V případě, kdy na základě této objednávky dojde k uzavření obchodního vztahu, budou nadále správcem udržovány pouze informace vyžadované českými zákony na základě obchodních vztahů (název a adresa společnosti, číslo bankovního účtu, typ kurzu a jeho cena).

Informace o dokumentu o absolovování kurzu

V rámci kurzu je vydán zpracovatelem dokument o absolovování kurzu. Tento dokument obsahuje následující údaje: jméno a příjmení studenta, název a datum absolovování kurzu a jméno zaměstnavatele. Uvedené informace se následně používají pro tvorbu lineárního stromu hashí (nemodifikovatelný záznam). Tato databáze obsahuje pouze informace o poskytnutých jménech a názvech společností, které mohou a a nemusí odpovídat realitě a je udržován zpracovatelem pro případné opětovné vystavení nebo ověření vydání dokumentu.

Práva subjektu osobních údajů

Zákazník nebo návštěvník tohoto webu má možnost požádat o informace o zpracování osobních údajů, právo požadovat přístup k osobním údajům, případně právo požádat o opravu nebo výmaz veškerých dat, které by o něm byly vedeny. V případě výmazu tento požadavek není možné splnit pouze pokud se nejedná o data nezbytně nutná v rámci obchodního styku. Zákazník nebo návštěvník webu má dále právo na vysvětlení týkající se zpracování jeho osobních údajů, pokud tento zjistí nebo se domnívá, že zpracování je prováděno v rozporu s ochranou jeho soukromého a osobního života nebo v rozporu s platnými právními předpisy a právo požadovat odstranění takto vzniklého stavu a zajištění nápravy.
Zákazník/návštěvník tohoto webu dále může požadovat omezení zpracování nebo vznést námitku proti zpracování údajů a má právo kdykoliv písemně svůj souhlas se zpracováním osobních údajů odvolat, aniž by tím byla dotčena zákonnost jejich zpracování předcházející takovému odvolání. Pro tyto účel slouží kontaktní e-mail adresa support@cryptosession.cz
Zákazník/návštěvník má právo podat stížnost proti zpracování osobních údajů u dozorového úřadu, kterým je Úřad pro ochranu osobních údajů.