Co je to vlastně ten kvantový bazén?
Než se do toho pustíme, pojďme si říct, proč by vás to mělo zajímat. Kvantové počítače jsou budoucnost computingu — to ví každý. Problém je, že jsou neuvěřitelně křehké. Doslova. Ta nejmenší interference z okolního světa dokáže zničit křehké kvantové stavy, na kterých tyhle stroje fungují.
Fyzikové se roky snaží propojit kvantové počítače, které jsou od sebe daleko — třeba v různých budovách nebo dokonce městech. Takové propojení je klíčové pro vytváření velkých kvantových sítí a opravdu výkonných kvantových počítačů. Ale tady je ten háček: kdykoli vědci něco takového zkusili, museli celý proces manuálně řídit, neustále měřit a v podstatě ho hlídat jako malé dítě.
A právě tady přichází na scénu nový výzkum z Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Tým tam předvedl něco, co zní jako sci-fi — použili takzvaný „kvantový bazén" k automatickému vytváření a udržování propletení mezi oddělenými qubity (základní jednotky kvantové informace).
Co je to vůbec to propletení?
Vysvětlím to co nejjednodušeji. Představte si dva mince, které jsou nějakým způsobem propojené nad rámec běžné fyziky. Když jednu minci hodíte a padne lícem, ta druhá okamžitě padne rubem — i kdyby byla na druhé straně galaxie. Tohle je propletení neboli entanglement, a Einstein ho proslulě nazval „strašidelným působením na dálku."
Vytvořit tohle propojení mezi částicemi, které jsou blízko u sebe, je už dost těžké. Ale dostat dva kvantové počítače na různých místech do propletení? To bylo zatím skutečně oříšek. Tradiční metody zahrnují posílání jednotlivých fotonů tam a zpět, nebo nechání obou qubitů vysílat fotony, které se pak snažíte sladit. Obě metody fungují, ale vyžadují neustálou aktivní kontrolu a spoustu měření.
Ta revoluční část
Tady je to, co mě na tomto výzkumu nadchlo. Tým ISTA — vedený PhD studentem Alexandrem Andrés-Juanesem a profesorem Johannesem Finkem — udělal něco úplně jiného. Místo boje proti prostředí ho využili.
Jejich „kvantový bazén" je v podstatě sdílený zdroj korelovaných světelných částic neboli fotonů, který qubity doslova „koupe" v kontrolovaném kvantovém prostředí. Samotný bazén se stává zdrojem propletení a vytváří stabilní spojení mezi vzdálenými qubity automaticky. Žádné hlídání není potřeba.
„Kvantový bazén — tedy prostředí qubitů — je zdrojem propletení," vysvětluje Fink. „Vytváří nový základní stav prostřednictvím kontinuálního proudu korelovaných fotonů. Tímto způsobem je propletený stav qubitů stabilizován, dokonce i nad rámec jejich vlastní ‚životnosti', a zůstává vždy dostupný jako zdroj pro další kvantové zpracování."
Zamyslete se nad tím, co to znamená: místo dočasného vytvoření propletení a nutnosti ho ihned využít, než zmizí, propletený stav prostě zůstává. Připravený, kdykoli ho potřebujete. To je pro praktické aplikace obrovská věc.
Proč to není jen další laboratorní experiment
Tady je můj pohled na to, proč to má význam nad rámec fyzikálních časopisů. Většina výzkumu kvantových počítačů, o kterém jste slyšeli, se zaměřuje na zlepšování jednotlivých qubitů nebo přidávání dalších qubitů na jeden čip. To je důležitá práce, ale je to jen polovina bitvy.
Pokud chceme, aby kvantové počítače jednou skutečně změnily svět — ať už jde o prolomení šifrování, simulaci složitých molekul pro vývoj léků nebo řešení optimalizačních problémů, které by klasickým počítačům trvaly miliony let — budeme muset propojit mnoho kvantových procesorů dohromady. Představte si to jako propojení jednotlivých počítačů do internetu.
Metody, které získaly Nobelovu cenu za fyziku v roce 2022 (ano, tohle propletení je Nobel-worthy), stále vyžadují aktivní měření a ne vždy uspějí. Jsou také křehké — musíte chytit ten moment propletení a využít ho, než zmizí.
Tento nový přístup? Propletení je tam prostě samo, udržované samotným prostředím. Je to jako rozdíl mezi neustálým natahováním hodinek a hodinkami, které prostě jedou samy.
Technické detaily (zjednodušeně)
Tým použil mikrovlnné fotony ke spojení qubitů se zdrojem propletených fotonů. Mikrovlnné fotony jsou nízkoenergetické světelné částice, které jsou ideální pro manipulaci s kvantovou informací — a už teď jsou klíčové pro ty nejpokročilejší supravodivé kvantové počítače.
Aby dokázali, že všechno skutečně funguje, použili kvantovou tomografii — což je v podstatě vychytaný způsob, jak rekonstruovat, co se v kvantovém systému děje, pomocí spousty rychlých měření (trvajících jen 20-80 nanosekund) a poskládání celého obrazu dohromady.
Co to znamená pro budoucnost
Nechci to přeceňovat — ještě roky práce nás čekají, než se z toho stane komerční technologie. Ale koncepčně je to významné. Mluvíme o metodě, která je „plně autonomní" a nevyžaduje žádnou aktivní kontrolu ani měření. Pro obor, který se léta potýká s komplexitou kvantových systémů, je to upřímně osvěžující.
Samotná myšlenka není nová — výzkumníci ji navrhli teoreticky před více než 20 lety. Ale tohle je poprvé, kdy někdo skutečně předvedl, že funguje v praxi. To je rozdíl mezi věděním, že něco by mělo fungovat, a skutečným zprovozněním toho.
Takže až příště uslyšíte někoho mluvit o kvantovém internetu nebo distribuovaných kvantových počítačích, vzpomeňte si na tento příběh. Řešení možná přijde od toho, necháme-li kvantové systémy koupat ve vlastním prostředí místo neustálého pokusu kontrolovat každou maličkost. Někdy je nejlepší řešení přestat vše microvadit a nechat přírodu, ať si poradí sama.
Zdroj: ScienceDaily