Kvantové technologie na hranici
50 qubitů jako hranice? Kdy kvantové systémy překonají klasické superpočítače? V posledních několika měsících byla oznámena řada možná přelomových novinek v oblasti vývoje kvantových počítačů. Výsledky jsou velmi nadějné, i když těžko odhadnout, v jaké šíři bude technologie přijata dejme tomu za 10 let.
Qubity, simulátory, jazyky...
Firmou, která v posledním cca roce a půl svůj pokrok na poli kvantových technologií propagovala nejvíce, je IBM. Jak jsme na ITBiz.cz opakovaně psali, IBM zpřístupnila svůj kvantový počítač i dalším zájemcům, aby si zde mohli vzdáleně zkoušet své algoritmy. Další novinky se týkaly např. kvantových počítačů pro provádění simulací v chemii.
V listopadu pak IBM představila kvantový počítač s až 50 qubity (kvantovými bity). Tento systém by se již měl pohybovat kolem výkonu současných superpočítačů, možná je i překonat – v principu totiž výpočetní výkon kvantových počítačů může růst s počtem qubitů až exponenciálně. Problém je v tuto chvíli ale v tom, že provázaný stav vydrží relativně krátkou dobu (zlomek sekundy – v tomto případě 90 mikrosekund, což je mimochodem také rekordní hodnota), pak je třeba zařízení k výpočtu opět připravit. Doba trvání výpočtu bude možná nakonec více limitující překážkou než samotný počet qubitů.
Nicméně na počet qubitů se výzkumníci v poslední době zaměřují s oblibou. Těsně před oznámením IBM vyšel v Nature Physics článek vědců z Quantum Engineering and Technology Labs v Bristolu. Zabývali se problémem tzv. vzorkování bosonů (boson sampling), což je speciální případ úlohy, která byla navržena tak, aby zde kvantový počítač dominoval nad těmi klasickými již při 20–30 qubitech reprezentovaných fotony.
Samotná úloha není prakticky příliš významná, měla spíše demonstrační účel. Zajímavé je, že se však nakonec kvantový algoritmus s 20 qubity podařilo simulovat na obyčejném notebooku a 30 qubitů na univerzitním serveru. Novou přelomovou hranici odhadli autoři výzkumu nezávisle na IBM na 50 qubitů. Jiný odhad, tentokrát z ETH Curych, hovoří o tom, že stačit by mohlo qubitů už 45.
Viz také: Jak masově vyrábět kvantové počítače
Pokud jde o vývojáře kvantových algoritmů, ti mají k dispozici i stále pokročilejší simulátory – nakonec pro programátora, který do nějakého rozhraní zadá svůj kód, příliš nemusí záležet na vlastním fyzickém způsobu jeho realizace.
První komerčně dostupný systém schopný simulovat až 40 qubitů představila společnost Atos. Současně byl oznámen programovací jazyk aQasm, který má být univerzální právě v tom smyslu, že je určen stejně tak k použití na kvantovém simulátoru, kvantových akcelerátorech nebo fyzických kvantových počítačích.
Viz také: Simulace kvantového počítače se 40 qubity
Další zajímavou novinkou v oblasti kvantového počítání jsou výsledky vědců z Los Alamos publikované v Nature Photonics. Autorům výzkumu se podařilo vytvářet jednofotonové emise, navíc při pokojové teplotě. Tímto způsobem lze v kvantových počítačích jednoznačně přiřazovat informaci konkrétní částici (žádná duplicita/šum), v kvantové kryptografii pak dokážeme zaručit, že s šifrovacím klíčem posílaným opravdu nikdo nemanipuloval (pokud stejný bit v šifrovacím klíči nese více fotonů, může při odposlechu na lince narušitel některý z nich ukradnout; důvěra v to, že útočník se nezmocní klíče, pak stojí na statistice).
Konkrétní realizace jednofotonové emise probíhá pomocí uhlíkové nanotrubičky, kterou ozáříme laserem. Laserový pulz vybudí elektron k přechodu na vyšší energetickou hladinu a ten pak při seskoku zpět vyzáří potřebný foton. Aby uhlíková nanotrubička proces zvládla s potřebnými parametry, musí navíc obsahovat speciální defekty. Aktuálně se využívá stočených vrstev uhlíku o tloušťce jednoho atomu, do nichž jsou dodány molekuly benzenu.
Zdroj: Matfyz.cz, Kvantech.blogspot.cz, IBM, Phys.org a další
