Superpočítač versus kvantový počítač. Hnací motor pro vědu i podnikání

Žijeme ve vzrušujícím světě výpočetní techniky! Už dávno nám ale neslouží jen ke komunikaci na dlouhé vzdálenosti. Dokážeme díky ní předpovídat počasí, analyzovat dopravní sítě, simulovat složité chemické procesy nebo třeba objevovat nové galaxie. Tyto kdysi neuvěřitelné věci jsou umožněny složitými výpočetními úkony prováděnými superpočítači. Víte ale, jak se liší od kvantového počítače a jak je můžete využít pro své podnikání?

Karolina je jedním z ostravských superpočítačů, které ke své práci využívají vědci i firmy. Foto: IT4Innovations

Bez přítomnosti chytrých zařízení si už den v podstatě neumíme představit. Telefony nás provází na každém kroku, hodinky měří naše životní funkce a v žádné kanceláři nesmí chybět kvalitní počítač. Mezi všemi dostupnými zařízeními jsou ale takové, které svým výkonem nad ostatními znatelně vynikají, a to jsou superpočítače. Jejich potenciál využívají nejen vědci, ale i podnikatelé, například v oblasti výpočetně náročného modelování, simulací nebo pokročilých datových analýz.

Pro konkrétní příklad nemusíme chodit daleko. Superpočítače najdete v Národním superpočítačovém centru IT4Innovations při VŠB – Technické univerzitě Ostrava, které se brzy rozroste také o kvantový počítač. Služby centra využívá řada firem, například pro realizaci systému pro inteligentní identifikaci zdrojů znečištění ovzduší, realistické architektonické vizualizace, vytváření 3D modelů, plánování výroby nebo zpracování lékařských snímků. V IT4Innovations, které je součástí ostravského T-parku, působí i náš kolega, odborník na kvantové počítání Marek Lampart. Spolu s ním vám teď tato unikátní zařízení přiblížíme.

NVIDIA DGX-2, Barbora a Karolina

To nejsou jména dětí Elona Muska, jak by se na první pohled mohlo zdát. Ve skutečnosti se jedná o názvy vysoce výkonných systémů, které v IT4Innovations pomáhají řešit velmi komplikované úlohy v krátkém čase. Pro svůj velký výpočetní výkon, který je pro běžné počítače zcela nedosažitelný, je ke své práci využívá vědecká komunita z České republiky i ze zahraničí, stejně jako zástupci z oblasti průmyslu. Ostrava se i díky jejich přítomnosti stává stále častěji vyhledávaným technologickým hubem pro inovace a výzkum.

Tento status brzy podpoří také v Česku úplně první instalace jednoho ze šesti evropských kvantových počítačů, konkrétně od společnosti IQM Quantum Computers. Tato složitá aparatura v ceně zhruba 165 milionů korun může odstartovat revoluci v řešení opravdu náročných výzev. Ale pěkně popořádku. Jak se tedy tyto počítače liší?

Stručná lekce z výpočetní techniky

Předně, superpočítač a kvantový počítač jsou dva velmi odlišné druhy zařízení, které zpracovávají informace jiným způsobem. Superpočítač si můžete představit jako velké hlučné skříně plné polic s kabely a počítačovými jednotkami (uzly) tvořenými procesory. Tyto uzly jsou propojené a díky síti, kterou společně vytváří, dosahují neuvěřitelného agregovaného výkonu. Výpočetní výkonost superpočítačů se počítá ve FLOPS čili v počtu elementární operací s čísly s pohyblivou řádkou za sekundu. Používají binární (dvojkovou) soustavu jedniček a nul, kdy základní jednotkou informace je bit, který nabývá vždy jen jedné z protichůdných hodnot jedna, nebo nula.

A právě to nebo, je zde důležité. V případě kvantových počítačů se výkon měří nejen v počtu kvantových bitů (tzv. qubitech), které mohou mít hodnotu nejen 0, 1 a všechno mezi tím, ale i obě hodnoty současně, ale také v jejich přesnosti a propojení. A to i přesto, že jsou opačné! (Připomíná vám to Schrödingerovu kočku? Pak uvažujete správně.) Je to jako byste doma měli rozsvíceno a zároveň zhasnuto. Zdá se to nepředstavitelné, že? A přesně to je základním principem kvantové mechaniky, říká se tomu superpozice. Navíc ostravský kvantový počítač bude mít velikost srovnatelnou s dospělým člověkem a elegantní vzhled s hvězdicovou topologií.

Rozdílů je samozřejmě mnohem více, pro základní pochopení odlišných principů jejich fungování nám to ale stačí.

Kvantový počítač v Ostravě bude na bázi supravodivých qubitů s hvězdicovou typologií. Foto: IT4Innovations

Dříve v cíli, ale s vyšší chybovostí

Mohlo by se zdát, že rozmach kvantové fyziky předznamenává zánik superpočítačů a jejich nahrazení kvantovými počítači. No, není tomu tak. Kvantové počítače se nehodí na všechny typy úloh. V Ostravě bude kvantový počítač připojen k superpočítači Karolina a spolu zaujmou roli hybridní infrastruktury, která bude efektivně řešit optimalizace algoritmů, přípravy a zpracování dat. Vzniklý hybridní systém tak bude možné využívat nejen na klasické i kvantové výpočty, ale hlavně využívat potenciál synergie obou systémů.

Pak se zároveň nabízí otázka, proč potřebujeme kvantové počítače, když se superpočítače stále zrychlují a zvládnou toho tolik? Inu, na všechno přece jen nestačí. Už dnes umíme konstruovat úlohy, jejichž řešení by na nejvýkonnějších klasických superpočítačích trvala staletí, ale kvantově je budeme schopni spočítat za zlomek času.

Navíc dynamické tempo, ve kterém žijeme, přináší takřka neustálou potřebu vyvíjet nové a nové materiály, kdy nahradíme neobnovitelné zdroje obnovitelnými, stárnutí populace zase přináší výzvu v podobě potřeby objevování nových léčiv. Zkrátka a dobře, stále existuje obrovské množství prozatím neřešitelných úloh, které vědci nedokážou spočítat. Kvantové počítače jsou příslibem, že se to v budoucnosti změní. I když je zatím kvantová výpočetní technika stále v začátcích a je nutné počítat s vysokou chybovostí, jsou prognózy vývoje skutečně výkonného kvantového počítače velice slibné a říkají, že kvantové výhody lidstvo dosáhne v roce 2033 nebo i dříve.

Věda, výzkum, podnikání. Kde všude se počítače uplatňují?

Práce s kvantovými počítači je zatím spíše na experimentální úrovni. Využití nacházejí zejména ve vědních oborech, kde je potřeba řešit tak složité operace, že i superpočítače naráží na své limity. Příklady dobré praxe ukazují, že dobře fungují zejména v případě optimalizace. Superpočítače, které poskytují mnohem přesnější výsledky, se uplatňují při analýzách rozsáhlých dat, simulacích, testování nových produktů nebo třeba plánování dopravních tras.

Víte, že superpočítače napomohly například rapidnímu rozvoji umělé inteligence, jaký právě teď zažíváme? To proto, že si hravě poradí s velkými objemy dat, které AI využívá. Kvantové počítače zase urychlují trénink jednotlivých AI modelů.

Využití obou typů zařízení je ale velmi široké. Superpočítače se dnes už zcela běžně využívají na finančních trzích, kde pomáhají identifikovat trendy a případná rizika, v kryptografii při vývoji šifrovacích metod, které dokážou odolat vnějším útokům, v logistice zboží a plánování dopravních tras s ohledem na jejich bezpečnost, v automobilovém průmyslu dokážou simulovat například chování nových vozů při nárazu, a to ve chvíli, kdy ještě nejsou ani ve výrobě, v lékařství, kde prostřednictvím simulací přispívají k vývoji léků, v energetice, meteorologii…

Máte například v telefonu aplikaci Českého hydrometeorologického ústavu Aladin na předpověď počasí? V tom případě také využíváte služeb superpočítače, ten totiž řeší náročné rovnice, které umožňují numerickému modelu Aladin správně pracovat.

Ve všech zmíněných oblastech se vyvíjejí kvantové algoritmy, které si kladou za cíl zásadní zrychlení výpočtu oproti klasickým superpočítačům, nejlépe exponenciální. Takové algoritmy umožní v reálné čase například prolomit aktuální šifrování, simulovat kvantové jevy, objevovat nová léčiva nebo třeba vyhledávat a optimalizovat nejlepší investiční strategie a mnohé další, které by současné superpočítače počítaly hodiny, dny a někdy roky.

Chcete se dozvědět více o využití kvantových počítačů? Na jaře 2025 vydá Marek Lampart Atlas kvantového počítání, ve kterém popisuje příklady dobré praxe v téměř desítce průmyslových odvětví!

Počítat v superpočítačovém centru IT4Innovation může téměř kdokoliv, nejen akademici ale také průmyslové podniky. Akademici výpočetní čas soutěží prostřednictvím otevřených výzev a podnikatelé si jej mohou koupit za dostupnou cenu. V případě kvantového počítače bude situace obdobná a jeho výkon bude dostupný za obdobných podmínek.

Posílení mezinárodní spolupráce

Kvantový počítač zřídí v Ostravě konsorcium LUMI-Q, které pod hlavičkou společného podniku EuroHPC propojuje devět evropských zemí (Česko, Finsko, Švédsko, Norsko, Dánsko, Polsko, Nizozemsko, Německo a Belgii) a jejich výzkumné instituce. Cílem iniciativy je vybudovat ve spolupráci s konsorcii a členskými státy EU síť superpočítačů doplněných o kvantovou technologii. Hybridní systém, který v Ostravě vznikne, bude propojen s dalšími superpočítači v Evropě a bude sloužit všem zapojeným zemím.

LUMI-Q ve svých aktivitách staví na klasickém výpočetním zázemí konsorcia LUMI. A právě na LUMI navazuje i projekt LUMI AI Factory, jenž se stal jedním ze sedmi vítězů výzvy EuroHPC na vybudování továren na umělou inteligenci (AI Factories), které v Evropě umožní rozvoj a nasazení nástrojů umělé inteligence napříč průmyslem a společností. Za Českou republiku se na projektu podílí IT4Innovations.

Součást aktualizované RIS MSK

Kvantové technologie mají velký potenciál pro inovace, bezpečnost dat i modelování komplexních systémů. V Moravskoslezském kraji jsme si toho vědomi, proto se kvantové technologie a počítání zařadily mezi vznikající domény Regionální inovační strategie MSK. Ale o tom zase příště.

Tento článek vznikl za podpory projektu EDIH OVA (EDIH Ostrava), který je financován Evropskou unií, z programu Digitální Evropa (ID: 101083551) a v rámci NEXT GENERATION EU (ID: EDIH1.5.01.4).