Kvantové počítání se supravodiči

V říjnu bylo oznámeno první praktické uskutečnění základní kvantové operace XOR na novém typu kvantového počíta...


V říjnu bylo oznámeno první praktické uskutečnění základní kvantové operace XOR
na novém typu kvantového počítače, který využívá interferenčních jevů v
elektronických obvodech se supravodivými prvky. Navržená metoda se v budoucnu
může stát nejschůdnější cestou pro realizaci kvantového počítání.
Kvantové počítání se již několik let těší značnému zájmu teoretiků i
experimentátorů. Zatímco ti první se snaží rozšířit známé možnosti využití
poněkud zvláštních zákonů kvantového světa o další kvantové algoritmy, pro
experimentátory zbývá už jen maličkost nějak prakticky uskutečnit to, co si
teoretici vymýšlejí.
Jenže právě tahle "maličkost" představuje problém natolik obtížný, že v
současné době nemůže asi nikdo s určitostí rozhodnout, zda kvantové počítání
není jen nereálnou fyzikální chimérou. Manipulace s jednotlivými kvantovými
objekty je opravdu velmi nesnadnou záležitostí. Jedním z nejtvrdších oříšků pro
praktickou realizaci kvantového počítání je rychle rostoucí šum, který v
kvantovém systému představujícím počítač vzniká v důsledku nevratných interakcí
s okolím.

Meze metody NMR
Zatím nejdále se dostaly pokusy, které jako nosičů kvantové informace používají
spinů jader atomů ve velkých organických molekulách v kapalné fázi. Tato
technologie je založena na jaderné magnetické rezonanci (NMR), která je více
méně rutinně používána v analytické chemii a lékařství po celém světě. Pomocí
NMR počítače s uměle syntetizovanou molekulou byl již proveden výpočet podle
Shorova faktorizačního algoritmu se 7 kvantovými bity.
Další zvyšování velikosti faktorizovaných čísel však pro NMR techniku
využívající kapalné fáze představuje jen velmi těžko řešitelný problém.
Odborníci se shodují v tom, že tato metoda sice v současné době umožňuje
relativně nejrychlejší testování kvantových postupů, zároveň ale konstatují
blížící se meze jejího růstu. Další často zmiňovanou možností pro kvantové
počítání je spojení NMR s mikroelektronickými technologiemi, případně využití
vlastností atomů uvězněných v iontových pastech při velmi nízkých teplotách
nebo jevů v kvantových elektromagnetických rezonátorech. Všechny tyto metody
mají své klady i zápory a jsou intenzívně testovány v mnoha světových
laboratořích.

Využití supravodivosti
V posledních měsících se do popředí zájmu dostala další možná implementace
kvantových počítačů, založená na vlastnostech elektronických obvodů se
supravodivými prvky. Supravodivost je makroskopický kvantový jev vedoucí k
vymizení elektrického odporu vodičů při nízkých teplotách. Příčinou
supravodivosti je vznik specifického kvantového stavu, kdy dvojice korelovaných
elektronů (tzv. Cooperovy páry) procházejí látkou prakticky bez energetických
ztrát, které jsou za normálních okolností odpovědné za elektrický odpor. Tento
stav je energeticky zvýhodněn oproti obyčejným stavům vykazujícím nenulový
odpor.
Že se supravodivé chování látek dá použít k "zesílení" kvantových jevů na
makroskopickou úroveň, je známo již od 60. let 20. století, kdy byla v
supravodivém prstenci s tzv. Josephsonovými spoji poprvé demonstrována kvantová
interference elektrických proudů protékajících dvěma rameny prstence. Nové
zařízení dostalo název SQUID (Supercondicting QUantum Interference Device). O
využití této techniky v oblasti kvantového počítání se uvažuje asi od roku 1997.
Kvantová informace v supravodivém počítači může být nesena buď nábojem
(přebytkem Cooperových párů), nebo kvantovaným magnetickým tokem uvnitř
supravodivého prstence. Základní logické stavy 0 a 1 jsou zde realizovány dvěma
dominantními nábojovými či tokovými hodnotami v supravodivém elementu, přičemž
specifické vlastnosti supravodivé fáze umožňují daný q-bit připravit také ve
všech možných superpozicích obou bázových stavů. Podobně jako u NMR se i zde
jedná v podstatě o makroskopickou realizaci kvantové superpozice, kdy nosiči
kvantové informace nejsou jednotlivé kvantové objekty, ale spíše celé soubory
takových objektů. Vazba jednotlivých q-bitů, která je nutná k provádění
elementárních kvantových operací (vytváření kvantových "propletených stavů"),
se uskutečňuje prostřednictvím elektrických obvodů propojujících supravodivé
komponenty.

První kvantové operace
Jednoduché operace využívající jeden supravodivý nábojový q-bit byly
realizovány již na konci 90. let. Bylo ukázáno, že dekoherenční časy (tj. doby,
po které je systém schopen vzdorovat rušivým vlivům okolí) mohou dosahovat až
500 nanosekund. Dalším potřebným krokem na cestě ke kvantovému počítání je
uskutečnění řízené operace se dvěma q-bity současně. Úspěšné provedení tohoto
kroku bylo oznámeno týmem fyziků vedeným J.S. Tsaiem z japonského výzkumného
centra Riken a laboratoří firmy NEC. V článku, který vyšel v časopisu Nature v
říjnu tohoto roku, autoři popisují použité uspořádání, využívající dvojice
supravodivých nábojových q-bitů, a demonstrují sled fyzikálních operací
realizujících elementární kvantové hradlo XOR (C-NOT).
Zařízení využívající supravodivých prvků dosud nebyla uváděna na čelních
místech seznamu kandidátů na praktickou realizaci kvantových algoritmů jiné
technologie mají již fázi dvoubitových operací dávno za sebou. Přesto je znalci
v žádném případě nepovažují za outsidery. Naopak, možná bychom právě na tohoto
černého koně měli vsadit. Shodná s dosud nejúspěšnější technikou NMR je
skutečnost, že supravodivé technologie jsou dnes velmi široce rozšířené, takže
potřebným know-how, nutným k rychlému rozvíjení oboru, disponuje celá řada
laboratoří. Na rozdíl od NMR však supravodivé technologie umožňují relativně
snadné rozšiřování výpočtů na větší počty q-bitů. Možná, že právě tato výhoda
se v budoucnu ukáže jako rozhodující.

XOR: Nejjednodušší kvantová operace
Transformace C-NOT, alternativně též nazývaná kvantové XOR, je nejjednodušší
kvantovou operací, která umožňuje vzájemné provázání dvojice q-bitů, tedy
vytvoření specificky kvantového stavu, v němž nelze oddělit hodnoty
jednotlivých bitů. Tato vlastnost je jednou z nejdůležitějších ingrediencí
všech kvantových algoritmů a realizace kvantového C-NOT je proto zásadním
testem každé potenciální metody kvantového počítání.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.