Kvantové počítače mají nového spojence. Jsou jím zvukové vlny

Upřímně? Kvantové počítače mi pořád vyrážejí dech. Stroje, které využívají ty nejpodivnější vlastnosti fyziky k řešení problémů, na které by běžné počítače potřebovaly déle, než je stáří vesmíru. Jenže tady je háček — kvantové počítače jsou neskutečně křehké. Představte si, že se snažíte postavit písečný hrad během přílivu, jen s tím rozdílem, že příliv tvoří různý hluk z okolí a váš hrad je vlastně kvantová informace.

Když jsem tedy narazil na nový výzkum z Harvardu, hodně mě to nadchlo. Vědci tam experimentovali s fonony — v podstatě miniaturními balíčky mechanických vibrací, jako super-mikroskopické zvukové vlny — a našli způsob, jak tyto malé vibrace využít k ochraně kvantové informace. Jak krásné je tohle?

Problém s kvantovou pamětí

Kvantové počítače pracují s qubity — kvantovou verzí klasických bitů. Problém je, že qubity jsou nesmírně vybíravé ohledně svého okolí. Jakýkoliv drobný rozruch z okolí — vibrace, změny teploty, elektromagnetické rušení — a jejich kvantový stav se rozsype. Schopnost udržet tento křehký stav se nazývá „koherence" a právě tohle trápí všechny, kdo se kvantovými počítači zabývají.

Tradičně vědci používali mikrovlnné pulzy k ochraně qubitů před okolním hlukem. Představte si to jako neustálé postrkování kuželky na vrcholu kopce, aby nespadla. Funguje to, ale je to komplikované a vyžaduje precizní timing.

Tým z Harvardu vedený výzkumnicemi Elizou Cornell a Zhujing Xu narazil na potíž: tyto klasické ochranné techniky nefungují dobře, když jsou qubity uvězněny uvnitř speciálních struktur zvaných fononické dutiny — tedy těch samých struktur, které byste chtěli používat, pokud chcete přenášet kvantovou informaci pomocí zvukových vln mezi různými částmi čipu.

Vstupte: „Obléknutý" qubit

Tady to začíná být zajímavé. Místo klasických mikrovlnných pulzů zkusili tým jiný přístup: neustále aplikovali mechanické budící pole složené z fononů. Tím v podstatě „oblékli" qubit do kontinuálního akustického pole.

Tahle terminologie se mi líbí. Představte si, že váš qubit jde na slavnostní událost a potřebuje si půjčit oblečení. Místo smokingu nebo večerních šatů dostal na míru ušitý oblek ze zvukových vln. A zdá se, že tahle zvuková výbava qubit skutečně činí odolnějším vůči nízkofrekvenčnímu šumu z okolí.

Technicky se tomu říká „dressed qubit" neboli „oblečený qubit" a efekt je pozoruhodný. Výzkumníci zjistili, že tato kontinuální mechanická ochrana prodloužila koherenční čas jejich qubitu zhruba třikrát. To je významné zlepšení, obzvlášť když pracujete s něčím tak nevyzpytatelným jako kvantová informace.

Proč je to důležité

Tady je to, co mě na tomto výzkumu opravdu nadšuje: fonony by mohly plnit dvojí účel. Mohou přenášet kvantovou informaci mezi různými částmi kvantové sítě a zároveň ji chránit před poškozením. To je jako mít kurýrní službu, která zároveň funguje jako pancéřovaný vůz.

V porovnání s použitím světla — což je běžnější způsob přenosu kvantové informace — mají fonony několik výrazných výhod. Mají mnohem kratší vlnové délky, takže můžete stavět menší komponenty a vměstnat je hustěji na čip. Navíc fonony snadno interagují jak se systémy pevného skupenství, tak s elektromagnetickými poli, což z nich dělá ideální kandidáty pro hybridní kvantové systémy kombinující různé typy qubitů.

Širší kontext

Tento výzkum naznačuje, že mikroskopické zvukové vlny by se mohly stát důležitým nástrojem v kvantové výpočetní sadě. Ne, příští rok tu nebudou kvantové počítače na vašem stole, ale děláme skutečný pokrok v řešení základních výzev.

Práce harvardského týmu ukazuje, že kontinuální mechanická ochrana může fungovat v reálných zařízeních, nejen v teorii. To je důležitý krok vpřed. Jak sama Eliza Cornell poznamenala, snažili se vyřešit dva problémy najednou — silnou interakci s fonony a dlouhé koherenční časy — a předvedli metodu, která dosahuje obojího.

Kvantové počítače jsou „pět let daleko" už docela dlouho, takže bych nerad sliboval, kdy přijdou praktické kvantové stroje. Ale každý průlom jako je tento nás přibližuje k dni, kdy by kvantové počítače mohly pomoci objevovat nové léky, prolomit šifrování, simulovat složité molekuly a řešit problémy, které si dnes nedokážeme ani představit.

Prozatím si budu užívat eleganci použití zvukových vln k ochraně kvantové informace. Je v tom něco skoro poetického — myšlenka, že stejné mikroskopické vibrace, které umožňují zvuku cestovat vzduchem, možná jednoho dne pomohou zabezpečit nejpokročilejší počítače, jaké kdy lidstvo postavilo.