V superpočítačovém centru IT4Innovations na Vysoké škole báňské – Technické univerzitě Ostrava byl spuštěn první kvantový počítač v České republice. Jaké možnosti tato přelomová technologie otevře českým vysokým školám a Akademii věd ČR? O vzdělávání nové generace odborníků a odbornic, propojení akademické a průmyslové sféry i o šancích Česka stát se lídrem v oblasti kvantového počítání mluví Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky a Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity a předseda Rady uživatelů infrastruktury IT4Innovations.
Na podzim došlo na půdě IT4Innovations k přelomové události: spuštění prvního kvantového počítače v Česku. Co to znamená pro výzkumnou sféru v ČR? A co konkrétně pro Akademii?
Je to opravdu přelom, protože možnosti přístupu ke kvantovým počítačům jsou u nás, ale i jinde ve světě momentálně značně omezené a v některých oblastech výzkumu nelze bez přístupu ke kvantovému hardwaru postoupit vpřed. Klíčovým faktorem je zde cena, kdy například kvantový počítač v IT4Innovations vyšel na více než sto milionů korun. Je úplně vynikající, že se to v Ostravě podařilo. Je sice pravda, že běh kvantového počítače lze simulovat i na počítači klasickém, ale pouze do určité složitosti a velikosti úlohy (měřeno počtem kvantových bitů, tzv. qubitů). A na ty nejzajímavější úlohy už nám klasické počítače prostě nestačí.
V čem je kvantový počítač tak zásadní?
Pro výzkumnou sféru v ČR je kvantový počítač zásadní v tom, že jsme tradičně dobří ve vývoji algoritmů a softwaru a zrovna ten pro kvantové počítače zatím většinou chybí. Je ale těžké vyvíjet software, pokud nemáte přístup k hardwaru. Situace se ale naštěstí zlepšuje ve více směrech. Česká akademická sféra získala letos v červnu přístup (na dálku přes cloud) i ke kvantovým počítačům firmy IBM v rámci Kvantového inovačního centra. Jedná se o konsorcium vedené Českým vysokým učením technickým v Praze a sdružující vedle Akademie věd také Univerzitu Karlovu v Praze, Masarykovu univerzitu v Brně, Vysoké učení technické v Brně, Univerzitu Palackého v Olomouci, Západočeskou univerzitu v Plzni a Univerzitu obrany v Brně.
Načasování je vlastně symbolické, protože letošek vyhlásilo UNESCO mezinárodním rokem kvantové vědy a technologie. Technologie kvantových počítačů je nicméně tak drahá, že se přístup běžně počítá v desítkách až stovkách minut měsíčně, takže mít první kvantový počítač přímo zde u nás je opravdu milník, protože by mohl tuto situaci zlepšit.
Je na to v současné době připravena půda?
Již zmíněné superpočítačové centrum IT4Innovations na VŠB v Ostravě své uživatele a uživatelky začalo školit a trénovat s předstihem už před několika lety a pokračuje v tom dodnes. Jedná se o školení a workshopy pořádané hybridní formou (online i osobně na IT4I) několikrát ročně.
Také firmy jako IBM mají výborné webové stránky s výukovými materiály, přednášky lze najít i online na YouTube či jinde, takže z tohoto hlediska zde možnosti byly a jsou. Trošku jiná je situace ohledně výukových programů na vysokých školách, jejichž zavedení je mnohem složitější záležitost. K již běžícím programům na ČVUT se letos přidává právě VŠB v Ostravě a Západočeská univerzita, ale je možné, že se jich již brzy najde víc, a pevně věřím, že se paleta studijních možností bude dále rozšiřovat. I já sám budu přednášet v letním semestru 2026 na Masarykově univerzitě v Brně předmět o kvantovém počítání.
Jaké úlohy bude možné díky kvantovému počítači řešit? Otevírají se tím nějaké nové příležitosti? Ptám se vás jakožto předsedy Rady uživatelů infrastruktury IT4Innovations…
Těch úloh je celá řada, od nástrojů pro bezpečnější komunikaci přes vývoj nových materiálů a léků až po logistické úlohy v průmyslu nebo optimalizace investičních portfolií. Vím dobře, že bouřlivý vývoj klasické výpočetní techniky v posledních desetiletích možná svádí veřejnost k otázce, zda vůbec tuto novou technologii kvantových počítačů potřebujeme, ale vědci a technici řeší mnoho úloh, které by počítat potřebovali, ale klasické počítače jim tu možnost nenabízejí a nebudou nabízet ani v blízké budoucnosti. Zrovna v mém oboru vývoje nových materiálů si nyní palčivě uvědomujeme, kolik nových materiálů budeme potřebovat pro přechod k budoucímu udržitelnějšímu průmyslu a jak málo času na jejich vývoj máme.
Jak to?
Tradiční experimentální testování metodou pokus–omyl nahrazuje čím dál víc moderní hybridní kombinace výpočetních simulací a experimentálního testování, ale chybí nám dostatečně výkonné počítače. Kvantové počítače vidím jako naši jedinou naději. Proto se jim také věnuji. Nepůjde ale o nahrazení klasických počítačů kvantovými, ale spíše o jejich propojení do hybridních výpočetních systémů kombinujících klasické a kvantové počítače. A právě tyto možnosti se nyní otevírají uživatelům a uživatelkám IT4Innovations nebo Kvantového inovačního centra.
Co konkrétně na tomto počítači počítáte vy, respektive vaše skupina?
Naše skupina se věnuje vývoji nových materiálů, konkrétně pevných krystalických látek, typicky kovů, například nových magnetů. Momentálně zkoušíme, co kvantové počítače umí, kde by se nejlépe uplatnily, a věnujeme se i vývoji algoritmů a softwaru, protože ten pro kvantové počítače zatím chybí. Při tomto výzkumu intenzivně spolupracujeme i s vědci ze zahraničí, například z MIT nebo Caltech v USA. Existují celé skupiny materiálů, o kterých se ví, že na ně klasické počítače nestačí, a právě u nich je šance, že se ukáže tzv. praktická kvantová výhoda. To je situace, kdy kvantový počítač spočítá úlohu, která je na klasickém počítači řešitelná jen velmi obtížně a trvalo by to příliš dlouho.
Mince má dvě strany: na jedné straně jsou ti, kdo „mají úlohy“, a na druhé straně ti, kdo mají know-how v oblasti kvantového počítání. Daří se tyto skupiny propojovat?
Naštěstí ano. Aktivity v rámci Kvantového inovačního centra nebo v IT4Innovations jsou přesně takto navržené. Uživatelé s úlohami se v rámci těchto center dostávají do kontaktu s odborníky na kvantové počítače a ti jim pomáhají jejich úlohy řešit. Není to ale úplně snadné, protože technologie současných kvantových počítačů ještě není úplně dotažená k dokonalosti a je třeba počítat s tím, že současné kvantové počítače občas chybují, vykazují šum a podobně. Tyto technické aspekty se ale časem vyřeší. Osobně vidím jako větší výzvu to, že pro kvantové počítače fungující na zcela jiných principech se člověk musí při vývoji softwaru naučit jinak myslet.
Je v Česku dostupné personální zázemí? Co lze udělat pro zlepšování?
Nás, nadšenců do kvantových počítačů, by mohlo být i víc, ale situace se zlepšuje a z vysokých škol už vycházejí první absolventi, takže věci se dávají do pohybu, a to nejen ve světě, ale i u nás. Navíc byla nedávno schválena Národní strategie pro kvantové technologie České republiky, což bude další impulz pro spolupráci vědců s průmyslovou sférou při budování robustního kvantového ekosystému.
Tuším, že bude obrovská příležitost v osvětě. Narazil jsem nedávno na dotaz typu: „Poběží na tom ANSYS?“ Plánují se nějaké vzdělávací aktivity, které napomohou co nejefektivnějšímu využívání kvantového počítače?
Jak jsem již zmínil, výukové aktivity probíhají a předpokládal bych, že brzy (v příštích měsících) ještě zesílí. Je ale třeba říct, že kvantové počítače jsou natolik jiná technologie, že nelze předpokládat, že na nich časem poběží obdoba každého softwaru, který tak dobře běží nyní na počítačích klasických. Vlastně jsme teprve ve fázi, kdy zjišťujeme, na které úlohy by bylo optimální kvantové počítače využít a kde by bylo možné docílit již zmíněné praktické kvantové výhody.
Co spuštění prvního kvantového počítače v Česku znamená pro rozvoj kvantového počítání pro oblast AI/ML?
Provázání nástrojů umělé inteligence s kvantovými počítači je jednou z oblastí s největším potenciálem. Na jedné straně lze využít strojové učení ke korekci chyb, ke kterým v současných kvantových počítačích dochází, na druhé straně vykazují neuronové sítě s kvantovou vrstvou větší flexibilitu a schopnost učit se z menšího množství dat. Ale překryvů je mnohem víc a jedná se o velmi rychle se rozvíjející oblast.
Připadá mi, že v tuto chvíli se v ČR rozvíjí oblast kvantového počítání a AI poněkud odděleně. Pociťujete snahy o přiblížení těchto dvou sfér?
Osobně si myslím, že ono oddělení existovalo právě kvůli omezenému přístupu na kvantové počítače. Jak se nyní otevírají nové možnosti přístupu ke kvantovému hardwaru v rámci hybridních systémů například na IT4Innovations nebo v rámci Kvantového inovačního centra, očekávám velmi rychlé propojení. Aktivity v obou zmíněných centrech už k tomu směřují a školení uživatelů a uživatelek zaměřená na kvantové strojové učení už nyní probíhají.
Za jakých předpokladů by se podle vás mohla ČR stát tahounem v propojování AI a kvantového počítání?
Obecně se domnívám, že vývoj v oblasti AI je ve světě už docela daleko a konkurence je tam velká, ale v oblasti kvantových počítačů je situace jiná, tam je vývoj zatím ještě celkem na začátku. To zásadní se děje teď. Technologie kvantových počítačů je asi tam, kde byla AI před zhruba pěti lety. Takže naše šance jsou velké, jen je nepromarnit. Možná je dobré připomenout, že Nobelova cena za fyziku byla v roce 2024 udělena za vývoj a využití nástrojů umělé inteligence, ale ta letošní byla udělena za studium kvantových jevů využívaných například v kvantových počítačích. Z hlediska Česka je vynikající, že byla schválena Národní strategie pro kvantové technologie České republiky, což by mohlo znamenat i finanční podporu. Rozjíždí se výukové programy na více vysokých školách, přibývá nadšenců, jako jsem já, a to může přitáhnout i mozky ze zahraničí. V oblasti AI už ten pomyslný vlak nabral rychlost, ale u provazování kvantových počítačů s AI se teprve chystá vyjet. Jen je třeba nastoupit. Věřím, že té šance využijeme.
Rozhovor vznikl v rámci programu Strategie AV21 AI: Umělá inteligence pro vědu a společnost.