Postavil jsem simulátor českého kvantového počítače. Teď si ho můžete zdarma vyzkoušet z pohodlí domova

Před pěti dny jsem poprvé poslal obvod na skutečný kvantový počítač VLQ v Ostravě. Dnes už mám za sebou 24 ostrých jobů, stovky obvodů, několik velmi přesných měření, pár užitečných slepých uliček a jednu nepříjemnou odpověď: můj původní vlajkový experiment by na současném hardwaru nevytvořil průlom, ale sebejistý nesmysl.

To není neúspěch. To je přesně výsledek, který má dobrý experiment přinést dřív, než utratí celý rozpočet.

Mezitím jsem si postavil VLQ Lab, interaktivní simulátor konkrétního českého kvantového počítače. Umí skládat a překládat obvody, ukázat tok amplitud, načíst denní kalibraci, odhadnout chyby i cenu na QPU a porovnat předpověď s tím, co se skutečně vrátilo ze stroje.

Můžete si jej rovnou otevřít na qlab.alphai.cz. Přihlásit se může kdokoli přes Google nebo libovolným e-mailem. Samotný simulátor běží v prohlížeči a je zdarma bez omezení; limity se týkají jen serverových funkcí Alfa vlka a čtení nahlas.

Pro netechnické čtenáře stačí čtyři pojmy. Qubit není „nula a jednička zároveň“, ale stav, který si lze představit jako šipku v prostoru. Hradlo je operace, která stav změní. Provázání znamená, že dva qubity mají společný popis, i když každý zvlášť vypadá náhodně. A shot je jedno spuštění obvodu a jedno přečtení výsledku; proto se stejný obvod opakuje tisíckrát.

Vyzkoušet si VLQ Lab může každý

Přístup už není omezený whitelistem. Po přihlášení získá každý celý simulátor a základní možnost používat průvodce:

Aktuální limity se zobrazují přímo po přihlášení. Kdo potřebuje širší přístup pro výuku, výzkum nebo vlastní experimenty, může mě kontaktovat.

Přihlášení funguje přes Google i jednorázovým odkazem zaslaným na libovolný e-mail.

Kdo to platí? VLQ Lab je bezplatný a bez reklam. Veřejná alokace EuroHPC pokrývá strojový čas na VLQ. Vývoj simulátoru, server, doménu, hlas a jazykový model Alfa vlka hradí Alpha Industries s.r.o. Z přiděleného výpočetního času se nefinancuje žádný dotaz na vlka. Limity chrání soukromě hrazený provoz a pomáhají rozdělit jej mezi co nejvíc lidí.

Proč jsem nezačal obvodem, ale simulátorem

V projektu EU-26-106 mám přes EuroHPC přiděleno 50 000+ QPU sekund. Zkoumám, zda lze výběr panelu jazykových modelů formulovat jako kvadratickou optimalizační úlohu a zda by s ní mohl pomoci kvantově-klasický algoritmus QAOA.

Na konci srpna jsem na fyzický stroj odeslal 24 jobů. Už tato první série ukázala věci, které zásadně mění další plán, přestože využila jen malou část přiděleného času.

Nejdřív jsem potřeboval prostředí, kde lze dělat chyby zadarmo. Běžný ideální simulátor totiž ignoruje přesně to, co u dnešních kvantových zařízení rozhoduje: šum, dekoherenci, čtecí chyby, topologii čipu a skutečný překlad obvodu.

VLQ Lab proto nesimuluje abstraktní kvantový počítač. Snaží se modelovat konkrétní 24qubitový VLQ, postavený společností IQM a provozovaný IT4Innovations v Ostravě.

Deska: uprostřed není qubit

Dvacet čtyři supravodivých qubitů kolem rezonátoru CR1. Barva vyjadřuje kvalitu podle zvolené denní kalibrace, zeleně jsou qubity aktuální úlohy a křížek označuje dočasně nedostupný prvek.

VLQ pracuje přibližně při 10 milikelvinech, tedy asi setinu stupně nad absolutní nulou. Jeho architektura připomíná hvězdici. Uprostřed není další qubit, ale rezonátor CR1, který funguje jako přestupní stanice.

Když mají dva qubity provést společnou operaci, stav jednoho se hradlem MOVE přesune do rezonátoru, tam proběhne CZ a stav se vrátí. Výhoda je elegantní: všechny qubity jsou z hlediska propojení stejně daleko. Nevýhoda je neméně důležitá: rezonátor je jen jeden, takže dvouqubitové operace se přes něj řadí za sebe.

Právě tahle vlastnost nakonec vysvětlila většinu rozdílů mezi první verzí simulátoru a fyzickým strojem.

Stavebnice: co stroj doopravdy umí

Paleta dovoluje hradla přetahovat nebo vkládat kliknutím. Tyrkysová umí VLQ přímo, fialová se musí přeložit přes rezonátor.

Uživatel může obvod naklikat podobně jako stavebnici. Simulátor ale ihned rozlišuje mezi tím, co kreslíme, a tím, co hardware umí fyzicky vykonat. Nativní sada VLQ je překvapivě malá: PRX, RZ, CZ a MOVE. Hadamard, CNOT, SWAP a další učebnicová hradla se musí rozložit.

CNOT je v učebnici jedna značka. Na hvězdici VLQ znamená dvě Hadamardova hradla, dvě cesty MOVE a jedno CZ.

MOVE přenáší stav qubitu do rezonátoru a zpět. Je to specialita hvězdicové architektury IQM a současně její nejvytíženější část.

Na kartě každého hradla je popis, matice, Diracův zápis a skutečná cena překladu. To není jen učebnicová ozdoba. Obvod s dvaceti logickými hradly může po překladu obsahovat stovky fyzických operací a mít úplně jiné chování, než naznačuje jeho kresba.

Tok amplitud: vidět, odkud se odpověď vzala

Bellův stav krok za krokem. Dráhy ukazují, kam teče amplituda; čárkované větve se vyruší. Dole jsou výsledné pravděpodobnosti a Blochovy sféry obou qubitů.

Histogram na konci ukáže, co vyšlo. Tok amplitud ukazuje, proč. Po Hadamardově hradle se stav rozdělí, CNOT spojí větev 00 s 11 a interferující cesty se mohou navzájem posílit nebo zrušit.

Tohle je podle mě lepší vysvětlení kvantového výpočtu než oblíbená věta, že počítač „zkusí všechny možnosti najednou“. Samotné vyzkoušení možností nepomůže. Algoritmus musí zařídit, aby se amplitudy špatných odpovědí vyrušily a správné posílily.

Kolik bude experiment stát

VLQ Lab rozlišuje hradlový čas, dobu postprocessingu, minimální cenu jobu i počet shotů. Rozvrh počítá se serializací dvouqubitových operací přes CR1.

Účtování mě zpočátku překvapilo. Neplatí se wall-clock ani samotný čas hradel. Podle dokumentace IT4I je horní odhad přibližně 400 mikrosekund za shot: do 50 mikrosekund pro obvod a zhruba 350 mikrosekund postprocessingu. Každý odeslaný job má navíc minimální cenu 0,9 QPU sekundy.

Z toho plyne praktická hranice: 2 250 shotů na job. Pod ní zaplatím stejně, i když udělám méně práce. Proto obvody dávkuji. Osm obvodů Bellova testu po 320 shotech se vešlo do jediného jobu za minimální účtovanou cenu. Poslat je samostatně by bylo mnohonásobně dražší.

Můj deník přitom neskrývá ani nepovedené běhy. Největší lekce byla jednoduchá: nejdřív transpilovat a validovat lokálně přes IQMFacadeBackend, teprve potom odesílat na QPU. Díky lokální kontrole lze většinu chyb zachytit dřív, než začnou čerpat přidělený čas.

Čtyři kroky, ve kterých se model naučil realitu

1. Historická kalibrace přestala předpovídat současnost

Začal jsem s užitečným repozitářem JiriTomcala/FakeVLQ, který zveřejnil Jiří Tomčala z IT4I. Obsahuje tři snímky reálné kalibrace z března a května a generátor šumového profilu.

Když jsem 26. srpna porovnal květnový snímek s aktuálním měřením, korelace byla jen +0,015 a v nejlepší pětici se nepřekrýval ani jeden qubit. Není to chyba repozitáře; je to důkaz driftu hardwaru. Staré kalibrace jsou skvělé pro studium změn, nikoli pro výběr dnešních qubitů.

Simulátor proto při startu načítá živou veřejnou kalibraci VLQ. Veřejné API ukáže současný stav a umí vrátit konkrétní kalibraci podle jejího ID, ale nenabízí přehled celé historie. Pokud si člověk snímek včas neuloží, později jej nemusí dohledat. Tři jarní snímky ve FakeVLQ jsou proto cenným veřejným záznamem driftu. Odteď si vlastní kalibrace archivuji také.

2. Model byl na malých obvodech pesimistický a na větších optimistický

Na dvou a čtyřech qubitech byl hardware lepší, než simulátor čekal. Na osmi qubitech už horší. Model tedy neuměl zachytit, jak rychle kvalita padá s šířkou obvodu.

3. Qubit stárne podle celkových hodin

Chyba byla v mém modelu dekoherence. Každý qubit stárnul jen po dobu svých vlastních hradel. Ve skutečnosti ale čeká po celou dobu, kdy ostatní qubity postupně procházejí jediným rezonátorem.

Typický šestiqubitový obvod s 24 hradly CZ trval 5,25 mikrosekundy, zatímco první model každému qubitu započítal jen 1,18 mikrosekundy. Po opravě klesla předpovězená retence z 0,48 na 0,18, tedy řádově blízko naměřeným 0,16. Není to přímé srovnání: model používal březnovou kalibraci s p = 2, zatímco měření z 26. srpna proběhlo s p = 1. Důležitý je hlavně skok správným směrem.

4. Zrcadlové obvody odhalily zákon škálování chyby

U zrcadlového testu pustíme náhodný obvod U a hned jeho inverzi U†. Správný výsledek je vždy |0…0⟩, takže se nedá schovat za volbu metriky.

Hodnota 1,36 % tedy není chyba samotného CZ. Je to odhad celé složené logické operace na dvojici qubitů: CZ 0,61 % + 2× MOVE 0,38 %.

Chyba operace není univerzální konstanta. Když se zvětší obvod, hradlo blokuje rezonátor a všechny ostatní qubity mezitím dekoherují. Nejde jen o vlastnost hradla, ale o vlastnost celého obvodu: čím víc qubitů čeká, tím dráž vyjde každá dvouqubitová operace. V mém režimu tak přidání qubitu bolelo víc než přidání jednoho dalšího hradla.

Co se povedlo

Bellova nerovnost: 9,6 sigma nad klasickou mezí

Bellův test měří čtyři kombinace natočených bází. Jejich korelace se složí do jediného čísla S s tvrdou klasickou hranicí 2.

Na nejlepší dvojici jsem naměřil S = 2,763 ± 0,079. To je 9,6 směrodatné odchylky nad klasickou hranicí 2 a 97,7 % Tsirelsonova kvantového maxima 2√2.

Nejhorší zvolená dvojice vyšla na S = 2,144. I ona hranici překročila, ale podstatně méně. Simulátor tak dokáže vedle výkladu ukázat, proč čerstvá kalibrace a volba konkrétní dvojice pořád hrají roli.

Nejlepší qubit odpovídal publikované úrovni

U qubitu QB5 jsem odhadl jednoqubitovou věrnost 99,936 %. Pro srovnání IQM u sesterského systému Deneb publikuje 99,94 %. Nejde o plnohodnotný nezávislý benchmark celého zařízení, ale o povzbudivou kontrolu, že nejlepší část čipu dosahuje očekávané úrovně. Rozptyl mezi qubity byl ovšem přibližně 9,5násobný.

Registrovaná predikce se konečně trefila

U posledního provázaného vzorkovače jsem před během zapsal předpověď korelace 0,284. Stroj vrátil 0,270. Kontrolní obvod bez provázání dal −0,000 ± 0,014, takže signál nebyl pouhým artefaktem čtení.

Výsledková záložka ukazuje pravděpodobnost optima, retenci, vzdálenost od ideální distribuce i počet shotů. Čísla ze simulace a ze stroje jsou vždy označena zvlášť.

Co nevyšlo a proč je to užitečnější

Původní vlajkový experiment měl pustit panel dvanácti kandidátů: 66 vazeb a po překladu 132 hradel CZ. Odhadovaná cena byla kolem 400 QPU sekund.

Než jsem jej spustil, udělal jsem levný scan hloubky. Při 132 hradlech vyšla korelace se správným řešením r = −0,75, tedy 26 sigma pod nulou. Obvod nevracel náhodný šum; systematicky preferoval špatná řešení.

Původní experiment jsem proto neposlal. Za zlomek plánovaného času jsem zjistil, že současný hardware je pro tuto hloubku za hranou použitelnosti.

Druhá studená sprcha byla metodická. Malé koaliční instance mají pět až šest qubitů, tedy nejvýše 63 neprázdných podmnožin. Přesný klasický řešič je vyzkouší za mikrosekundy. Na 50 sporných otázkách z odložené testovací sady, kde odpověděly všechny konfigurace, byla koaliční formulace lepší třikrát a horší ani jednou. Výsledek ale není statisticky průkazný (p = 0,125). V čistě lokálním panelu nezměnila ani jednu odpověď.

To neznamená, že kvantová optimalizace nemá smysl. Znamená to, že nejdřív musí uspět samotná formulace problému proti jednoduchým klasikám. Kvantový počítač nemůže zachránit špatně položenou otázku.

Alfa vlk učí, ale nevymýšlí si fyziku

Ve Škole má každý úkol cíl, omezenou paletu hradel a automatickou kontrolu. Alfa vlk radí na začátku, po vyřešení nebo na vyžádání.

Alfa vlk provází záložkou Škola. Uživatel nedostane jen prázdné plátno, ale konkrétní úlohu, omezenou sadu hradel a kontrolu výsledku. Může si tak projít cestu od prvního otočení qubitu až po provázání a interferenci.

Základní výukové hlášky vlka jsou napsané a ověřené předem. Nejsou generované jazykovým modelem za běhu. U kvantové mechaniky je přesnost důležitější než nekonečná variabilita a průvodce musí všem říkat konzistentní fyziku. Vedle toho je dostupná volitelná funkce Zeptat se vlka, která používá AI a právě na ni se vztahují denní limity.

Základy bez zkratek, které se pak musí odnaučovat

Každá kapitola končí odkazem na funkci, kde si lze popsaný jev rovnou vyzkoušet.

V Základech záměrně nepíšu, že qubit je prostě nula a jednička zároveň nebo že kvantový počítač slepě zkouší všechny možnosti. Taková přirovnání jsou líbivá, ale rychle přestanou stačit. Výklad propojuji se stavebnicí, Bellovým testem a tokem amplitud, aby každé tvrzení mělo pozorovatelný důsledek.

Padesát pět zdrojů, z toho 53 s ověřeným odkazem

První skupina zdrojů pokrývá VLQ: dokumentaci přístupu a účtování, kalibrační API, klient qaas, FakeVLQ i první projekty na stroji.

K 30. srpnu je v aplikaci 55 zdrojů v osmi skupinách. U 53 z nich jsem ručně otevřel a ověřil odkaz. Dvě doporučené knihy, od Michia Kakua a Davida Deutsche, odkaz nemají:

• 9 zdrojů přímo k VLQ,
• 5 článků k hvězdicové architektuře,
• 7 volně dostupných českých a slovenských materiálů,
• 4 místa, kde si lze kvantové výpočty vyzkoušet,
• 11 zdrojů k průsečíku AI a kvantových výpočtů,
• 10 katalogů algoritmů a aplikací,
• 3 texty o možnostech a limitech NISQ zařízení,
• 6 doporučených knih.

U každého odkazu vysvětluji, proč v seznamu je a jaké má omezení. Samotný seznam odkazů si dnes vytvoří vyhledávač; užitečné je až kritické čtení.

Velkou zásluhu na tom, že jsem se ke stroji vůbec dostal, mají otevřené nástroje českého týmu: Quantum as a Service od IT4Innovations, zmíněný FakeVLQ, dokumentace VLQ a veřejné kalibrační API. Díky nim je kvantum jako služba praktická věc, ne marketingová metafora.

AI a kvantové počítání vedou dvěma směry

Vlevo jsou pokusy použít kvantové výpočty pro strojové učení, vpravo metody AI, které pomáhají navrhovat, kalibrovat a opravovat kvantové stroje.

Kvantum pro AI je hlasitější směr: kvantová jádra, variační klasifikátory nebo kvantové neuronové sítě. U klasických dat naráží na drahé nahrávání vstupu do kvantového stavu a na šum dnešních zařízení.

AI pro kvantové stroje je méně nápadná, ale má pevnější výsledky. Neuronové dekodéry pomáhají s korekcí chyb, posilované učení hledá lepší obvody a modely se učí šum konkrétního zařízení. Právě tímto směrem jde i moje kalibrace simulátoru podle naměřených běhů.

Mapa propojuje osm oborů s konkrétními algoritmy a upozorňuje na hranice současných demonstrací. Annealer D-Wave například není totéž co hradlový VLQ.

Simulátor v pohybu

Nejlépe je tok amplitud, otáčení Blochovy sféry a běh se skutečným šumem vidět ve videu:

Otevřít video přímo na YouTube

Kde jsem dnes

Mám za sebou 24 ostrých jobů. Změřil jsem Bellovu nerovnost 9,6 sigma nad klasickou mezí, opravil model času dekoherence a zastavil experiment, který by byl drahý a bezcenný. Zároveň jsem si ověřil, že některé otázky se dají vyřešit přesně klasicky dřív, než vůbec potřebuji kvantový hardware.

Nejcennější výsledek proto není jedno číslo. Je to návyk zapsat predikci před během, uchovat i nepovedené joby a po každém rozporu opravit model místo příběhu.

Pokud vás kvantové počítání láká, začněte na qlab.alphai.cz záložkou Základy, pak si postavte obvod ve Stavebnici a nakonec sledujte Tok amplitud. Nemusíte instalovat Qiskit ani stát u kryostatu v Ostravě. Stačí prohlížeč a chuť nechat si občas vyvrátit vlastní představu.

Kvantové počítače dnes neumějí skoro nic z toho, co se o nich často píše. Ale to, co opravdu umějí, je měřitelné, ověřitelné a pořádně zvláštní. A jeden takový stroj stojí v Ostravě.

Odkazy a zdroje

Pro další studium doporučuji začít u původních materiálů, ze kterých jsem při stavbě a měření vycházel:

VLQ a přístup ke stroji: přehled VLQ od IT4Innovations, návod k přístupu, účtování QPU času, živá kalibrace, Quantum as a Service a FakeVLQ.

Architektura a chyby: procesor s qubit-rezonátorovou hvězdicí, detekce kvantových chyb v této architektuře, pravděpodobnostní korekce chyb a dělení kvantových obvodů pro hybridní HPC.

Česky a zdarma: průvodce Qiskitem od IT4Innovations, materiály Jana Holuba, skripta Luďka Kučery a přednáška Vladimíra Kvasničky.

Co kvantové počítače mohou a nemohou: Quantum Algorithm Zoo, přehled aplikací a jejich skutečné složitosti, výzvy kvantové optimalizace a střízlivý pohled Scotta Aaronsona na kvantové strojové učení.

AI a kvantové počítání: AlphaQubit, optimalizace obvodů pomocí AlphaTensor, síla dat v kvantovém strojovém učení a otázka, zda je kvantová výhoda správným cílem QML.

Všech 55 zdrojů s krátkým komentářem je přímo ve VLQ Lab v záložce Zdroje.

Poděkování lidem

Děkuji Jakubu Siwkovi, že mě vůbec přiměl začít se kvantovým počítáním a zprostředkoval mi první schůzku s profesorem. Zuzaně Lichovníkové z IT4Innovations děkuji za rychlé odpovědi na moje otázky a za pomoc pokaždé, když jsem ji při práci s přístupem k VLQ potřeboval.

Děkuji také EuroHPC, IT4Innovations a celému českému týmu, který zpřístupňuje VLQ jako službu. Díky jejich práci se k českému kvantovému počítači nemusí jezdit s kufrem kabelů. Stačí schválený projekt, účet a dobře připravený obvod.

Financování a původ práce

Výpočetní čas na kvantovém počítači VLQ mi byl přidělen pro projekt EU-26-106 prostřednictvím EuroHPC. Práce využívá podporu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR prostřednictvím e-INFRA CZ (ID: 90254). Tato podpora se týká výpočetní infrastruktury a strojového času na VLQ a LUMI, nikoli vývoje aplikace ani jejího provozu.

Simulátor VLQ Lab, jeho provoz, doménu, průvodce Alfa vlk i čtení nahlas financuje Alpha Industries s.r.o. Aplikace je zdarma, bez reklam a nic neprodává. Vznikla proto, že česky psaných materiálů ke kvantovému počítání je málo a chtěl jsem, aby si je mohl kdokoli vyzkoušet bez instalace.

Experimentální analýzy a simulátor jsou moje vlastní práce. Kalibrační data pocházejí z veřejného API IT4Innovations.