- Kvantové počítače potřebují tisíce qubitů pro složité výpočty
- Aby správně fungovaly, hledají vědci způsob jak efektivně propojit kvantové procesory
- Oxfordský tým úspěšně teleportoval informace mezi oddělenými zařízeními na vzdálenost dvou metrů
Vytvoření výkonného kvantového počítače bude v budoucnosti vyžadovat desítky tisíc kvantových bitů (qubitů). To však představuje zásadní technickou výzvu – současné technologie mají problém s udržením velkého počtu qubitů v jediném zařízení. Proto se vědci zaměřují na metody, jak propojit více kvantových procesorů a umožnit jim fungovat jako jeden celek, podobně jako to již bylo vyřešeno u klasických počítačů.
Co je to kvantový bit?
Kvantový bit, neboli qubit, je základní stavební prvek kvantového počítače. Zatímco klasický bit v běžném počítači může nabývat pouze hodnot 0 nebo 1, qubit může existovat v superpozici těchto dvou stavů současně. Tato vlastnost dává kvantovým počítačům jejich výpočetní sílu a umožňuje jim řešit určité úlohy mnohem efektivněji než klasické počítače. To znamená, že qubit může být například současně 40 % ve stavu 0 a 60 % ve stavu 1.
Vědci z Oxfordské univerzity nedávno publikovali v prestižním vědeckém časopise Nature průlomový experiment, ve kterém se jim podařilo propojit dvě fyzicky oddělená kvantová zařízení pomocí kvantové teleportace. Tento úspěch představuje zásadní krok vpřed ve snaze vytvořit škálovatelné kvantové počítače, které by mohly být sestaveny z menších, propojených modulů namísto jednoho velkého a technologicky náročného systému.
Dosavadní experimenty s kvantovou teleportací byly většinou omezeny na jednotlivé kvantové procesory nebo na systémy, kde jednotlivé kvantové bity sdílely společné prostředí. Oxfordský experiment však dokázal, že kvantová teleportace může být použita ke spojení dvou nezávislých kvantových jednotek umístěných ve vzdálenosti přibližně dvou metrů, což naznačuje, že podobná metoda by mohla fungovat i na větší vzdálenosti.
Kvantová teleportace by nemusela být sci-fi
Představa teleportace je často ovlivněna představami, kde objekt zmizí na jednom místě a objeví se jinde. Kvantová teleportace ale funguje jinak – neumožňuje přemístit hmotu, nýbrž kvantový stav. Základem procesu je předem vytvořená kvantová provázanost mezi dvěma objekty, což umožňuje přenos kvantové informace bez přímého fyzického přesunu částice.
Teleportace kvantového stavu se často vnímá jako způsob, jak přenášet informace mezi dvěma čipy – část výpočtu proběhne na jednom a výsledek se teleportuje na druhý. Ve skutečnosti jde ale o sofistikovanější proces. Operace potřebné pro teleportaci mohou zároveň provádět logické kvantové operace, tzv. kvantové hradlo. To znamená, že výpočty lze provádět přímo během teleportace.
Díky správné kombinaci těchto operací je možné vytvořit univerzální kvantový počítač, schopný spouštět libovolné kvantové algoritmy výhradně prostřednictvím teleportace.
První teleportovaný kvantový výpočet?
Pro ověření konceptu zvolili oxfordští vědci relativně jednoduchý experiment, který však demonstroval klíčové principy kvantové teleportace v reálném kvantovém systému. Experimentální uspořádání se skládalo ze dvou nezávislých kvantových zařízení, mezi nimiž byla vzdálenost dvou metrů – tato vzdálenost byla dostatečně velká na to, aby obě zařízení mohla být umístěna v oddělených místnostech. Každé ze zařízení obsahovalo iontovou past, ve které vědci manipulovali dvěma různými ionty – jedním iontem stroncia a jedním iontem vápníku.
V tomto uspořádání měly jednotlivé ionty rozdílné role. Stronciové ionty sloužily jako síťové prvky, tedy jako prostředky k vytvoření kvantového propojení mezi dvěma oddělenými systémy. Vápníkové ionty byly využity jako paměťové qubity, které uchovávaly kvantové stavy a prováděly výpočetní operace. Použití dvou různých typů iontů bylo strategické, protože stronciové ionty jsou snadno manipulovatelné pomocí fotonů, což umožňuje jejich provázání na dálku, zatímco vápníkové ionty mají dlouhou dobu koherence, což je důležité pro spolehlivou kvantovou výpočetní operaci.
Klíčovým prvkem experimentu bylo vytvoření kvantového provázání mezi dvěma stronciovými ionty, které se nacházely na opačných koncích dvoumetrové vzdálenosti. K tomu vědci použili optické vlákno, kterým procházely speciálně připravené fotony, jejichž interakce s ionty umožnila přenos kvantové informace a vytvoření kvantového provázání mezi vzdálenými qubity.
Důležitým aspektem tohoto experimentu bylo, že pokud kvantové provázání selhalo, systém se nezměnil a experiment mohl být jednoduše opakován. Tento přístup je znám jako „heralded entanglement“ (doslova „oznámené provázání“) – vědci totiž dokázali měřením fotonů určit, zda bylo provázání úspěšné. Pokud se kvantové provázání vytvořilo správně, systém generoval charakteristický fotonový signál, což umožnilo pokračovat v experimentu s jistotou, že provázání bylo úspěšně navázáno.
Jakmile bylo dosaženo kvantového provázání, vědci přistoupili k dalšímu kroku – přenesení kvantového stavu mezi vzdálenými zařízeními. To bylo realizováno pomocí řízené-Z operace (controlled-Z gate), což je jedna z klíčových kvantových bran používaných v kvantových výpočtech.
Controlled-Z brána je důležitá, protože může sloužit jako základ pro všechny ostatní dvouqubitové operace. V kombinaci s dalšími kvantovými branami umožňuje realizovat univerzální kvantové výpočty. V tomto experimentu vědci ověřili, že řízená-Z operace proběhla úspěšně mezi dvěma vzdálenými qubity, což znamená, že kvantové informace skutečně prošly teleportací a umožnily další manipulaci na druhé straně systému.
Po několika opakováních této operace vědci dosáhli průměrné přesnosti 70 %, což naznačuje, že i přes složitost experimentu byla metoda dostatečně spolehlivá. Analýza výsledků ukázala, že většina chyb nevznikla během samotné teleportace, ale spíše při lokálních operacích na jednom z kvantových zařízení. Vědci předpokládají, že použití komerčně dostupného kvantového hardwaru s nižší chybovostí by mohlo tuto přesnost výrazně zlepšit a posunout nad 90 %.
Budoucnost kvantových počítačů
Zatímco tento experiment pracoval s iontovými pastmi, princip kvantové teleportace je nezávislý na konkrétní technologii a může být aplikován na většinu současných kvantových systémů. Vzhledem k pokročilým možnostem optických spojů by bylo možné propojovat více kvantových čipů nejen na krátké vzdálenosti, ale i na větší škále, čímž by se otevřela cesta k modulární architektuře kvantových počítačů.
Nepřehlédněte
Průlom v kvantové komunikaci: vědci dokázali propojit qubity na vzdálenost 35 kilometrů
Významné je, že tento experiment ukázal možnost teleportovat kvantové výpočty mezi samostatnými zařízeními bez nutnosti extrémních podmínek, jako jsou ultranízké teploty nebo vakuum. To naznačuje, že budoucí kvantové sítě by mohly být realizovatelné v mnohem praktičtějších podmínkách, než se dříve předpokládalo.
