Kvantové počítače

Výskum nových typov bezšumových kvantových informačných bitov, teda qubitov, bol publikovaný v spoločnom časopise Fyzikálneho inštitútu v Spojenom kráľovstve a Nemeckého fyzikálneho spolku – New Journal of Physics. Túto prácu vykonal v Spojených štátoch Evan Fortunato so svojimi kolegami z Technologického inštitútu v Massachusetts v spolupráci s Lorenzou Viola z Národného laboratória v Los Alamos. V subatómových mierkach sa vďaka zákonom kvantovej fyziky hmota správa dosť neobvykle. Už niekoľko rokov sa fyzici snažia využiť kvantové zvláštnosti na konštrukciu nového typu „kvantového počítača". Takéto kvantové počítače sú schopné vyriešiť problémy ako vyhľadávanie v databázach a prelomiť v súčasnosti nerozlúštiteľné šifry oveľa jednoduchším spôsobom, ako hociktorý v súčasnosti existujúci počítač. Avšak postaviť kvantový počítač nie je až také jednoduché ako by sa zdalo, najmä vďaka šumu. V kvantovom počítači je základná jednotka informácie – qubit – reprezentovaná jednoduchým atómovým jadrom. Jeho veľkosť ho činí citlivým na veľa externých zdrojov šumu, ktoré môžu veľmi rýchlo zničiť uchovávanú informáciu. Fortunato a Viola spolu s kolegami však ukázali, ako sa dá uchovať a kontrolovať bit kvantovej informácie aj za prítomnosti šumu. Informácia je zakódovaná v dvoch atómových jadrách vo vnútri jednej molekuly. Ústrednou myšlienkou tejto techniky je, že určité typy šumu nechávajú časť systému prirodzene chránenú. Dokonca aj keď je molekula vystavená externému šumu, nebude kvantová informácia obsiahnutá v molekule zničená.
Hoci predošlá práca oboch výskumných tímov bola úspešná v uchovaní kvantovej informácie v jednobitovej „kvantovej pamäti", žiaden z predošlých výsledkov však nedokázal manipulovať s kvantovou informáciou za prítomnosti šumu. Tím predviedol efekt využívajúci techniku jadrovej magnetickej rezonancie v tekutom stave. Experiment ukázal, že informácia môže byť spracovaná prostredníctvom využitia logických brán, zatiaľ čo zvyšok s veľkou rozlohou je chránený proti silným zdrojom šumu. Táto šumovo odolná manipulácia s kvantovou informáciou môže byť kľúčovým krokom na ceste smerom k funkčným kvantovým počítačom. Veríme, že spoznaním spôsobu ochrany kvantového bitu, s ktorým potom môžeme efektívne manipulovať, sme dosiahli kľúčový pokrok vo vývoji a meraní zariadení spracujúcich kvantové informácie - hovorí dr. Viola. „Naše výsledky reprezentujú prvý experimentálny krok v tomto smere a budú snáď aj motivovať ďalších bádateľov vo výskume podobných stratégií pre iné technologické zariadenia.

KVANTOVE KOMPUTOVANIE: ELEKTRON NOSICOM INFORMACIE

§                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

Viacere vyskumne pracoviska vo svete skumaju moznost ukladat jednotky informacii - bity - priamo v atomoch. Ak by sa to podarilo, tak by "jedno zrnko soli mohlo niest tolko informacii ako dnes RAM vo vsetkych pocitacoch sveta." Tvrdi to americky fyzik Seth Lloyd, ktory nedavno poskytol interview online magazinu Hotwired. Jedno zrnko soli ma okolo jednej miliardy miliard atomov, t.j. jeden quadrilion atomov. 34-rocny Seth Lloyd uz stihol posobit na viacerych vyznamnych vedeckych pracoviskach v USA a aj v Europe (CERN - Europske laboratorium fyziky castic. V sucasnosti posobi v Departmente mechanickeho engineeringu na MIT. Teoriou kvanoveho komputovania sa zaobera od roku 1990 a dohaduje, ze dnes v tejto sfere pracuje vo svete najmenej stovka badatelov. Kvantove komputovanie je stale iba v stadiu teoretickeho vyskumu. V praxi by jedneho dna malo dospiet ku kvantovym pocitacom.
V klasickych, na kremikovych cipoch zalozenych pocitacoch, sa roje elektronov pohybuju po autostrade vytvorenej z atomov a system fuguje tak, ze odklana alebo zadrziava elektronovy prud. V kvantovych pocitacoch by nemali byt prudy elektronov. Elektrony by mali kruzit okolo svojich vlastnych atomov a kazdy bit dat by mal byt zaznamenavany tym, ze zmeni energeticku hodnotu jednotliveho elektronu. Bity by sa mali presuvat pri kopirovani energetickej urovne jedneho atomu na susedny, napr. pri fyzickom tlaku jedneho atomu na druhy. Ked su dva atomy stlacene dokopy, mozu preberat svoju energeticku hodnotu. David DiVincenzo z T. Watsonovho vyskumneho strediska IBM navrhuje pouzit atomovy mikroskop na manipulovanie atomami v miere 100 za sekundu prostrednictvom ostrej sondy. Horna hranica moze byt okolo 100tisic operacii za sekundu. To sa zda byt rychle, ale rychlo vybledne v porovnani so sucasnou rychlostou procesorov 100milionov operacii za sekundu.
Seth Lloyd uprednostnuje model, pri ktorom fotony (castice svetla) z laseru bombarduju elektrony a vrhaju ich z jedneho stavu do druheho. Zial, neexistuje sposob ako trafit iba jeden specificky elektron, bude to teda gulometny postup: Fotony budu rozprasovane elektronmi bez rozdielu. Ako by mohol byt tento model vyuzity pri spracuvani dat? Jednym sposobom je pouzivat dlhu molekulu zlozenu z dvoch druhov atomov. Atomy by mali elektrony, ktore reaguju na odlisne svetelne frekvencie. K nim by bol pripojeny ku koncu retazca treti typ atomu. Ten by sluzil ako vstupny bod. Luce laseroveho svetla by vysielali data cez retazec podobnym sposobom, ako prechadza jedlo zazivacim ustrojenstvom pri peristaltickych pohyboch (pohyb traviacej rury umoznujuci posun potravy). Pri starostlivom dimenzovani svetelnych lucov rozlicnych frekvencii je mozne procesovat data. A ak atomovy retazec pozostava z jednej organometalickej-polymerovej molekule obsahujucej az miliardu atomov, moze vzniknut procesor, ktory dokaze spracovat viac dat, nez mozno najst v celej pamati osobneho pocitaca. Su tu ale prakticke problemy - organometalicke polymery jestvuju iba pri ultranizkych teplotach, co si vyzaduje narocne chladenie. Aby mohol pouzivatel citat data, musel by byt stav elektronov citany prostrednictvom zberaca magnetickej rezonancie. Ta ista technika je pouzivana v nemocniciach na skumanie mozgu a tiez potrebuje velke a drahe zariadenie. Najhorsie zo vsetkeho je, ze aj v riadenych podmienkach maju elektrony schopnost nepredvidane menit svoju energeticku schopnost a to moze sposobit, ze kvantove pocitace znenazdajky znehodnotia svoje data. V dosledku toho by mohlo byt 999 cyklov z tisic venovanych iba oprave chyb. Lloyd to nepovazuje za dramaticku prekazku: "Predstavme si, ze cela skupina atomov ma hodnotu 1. Niektore z nich sa zmenia, vy ich preskumate a potom vratite ich hodnotu na povodnu uroven ,"

uviedol v rozhovore pre e-zine Hotwired.

Ozyvaju sa aj hlasy skeptikov, takych ako je Rolf Landauer, veteran mikroelektronickeho vyskumu z IBM: "Podstatne je, ci dokazeme vybudovat stroj, ktory je uplne izolovany od rusivych vplyvov a bude pracovat tak dokonale, ako chcu tito ludia. Ale zariadenie nie je dokonale a nerobi celkom to, co by chceli. Pokial ide o opravu chyb, navrhovane pristupy by viedli ku kvantovo mechanickej inkoherentnosti. Navyse, ak pocitac travi 99,9 percenta casu tym, ze opravuje svoje chyby, mali by sme si byt isti, ze opravny mechanizmus je dokonaly. Preco by malo byt v jeho pripade lahsie urobit ho dokonalym, nez v pripade celeho stroja?" Landauer dalej upozornuje, ze najmensi nezaregistrovany defekt krystalickeho polymera moze vylucit spolahlivost vypoctov. Nevidi ani moznost ako ochranit system pred teplom a vibraciami. "Nadej na spolahlivy vysledok," vravi, "klesa exponencionalne s dlzkou komputovania." Lloyd na kritiku odpoveda, ze naozaj "atom je menej spolahlivy nez tranzistor, ale - je spolahlivejsi ako vakuove elektronky", s ktorymi sa napriek tomu zacinala era pocitacov. Aj keby kvantovy pocitac minul 99,9 percent casu na opravu vlastnych chyb, bol by podla Lloyda stale vykonnejsi, nez sucasne systemy. Laserovy luc moze zmenit stav elektronov 10tisic krat rychlejsie, ako dokaze Pentium-cip prepnut tranzistory. Kedze kazdy svetelny luc v kvantovom pocitaci moze zrejme naraz zmenit stav jednej miliardy bitov, konecnym vysledkom by bol system schopny bezat 100milionkrat rychlejsie nez Pentium.
Okrem obrovskej vykonnosti kvantovych pocitacov by ich skonstruovanie mohlo priniest aj riesenie problemu tepla, ktory, ako sa donedavna zdalo, branil dalsiemu zvysovaniu rychlosti a zmensovaniu pocitacovych suciastok. Vsetky konvencne metody elektrickeho prepinania vytvaraju odpadove teplo a to je tym koncentrovanejsie, cim mensie su suciastky. Dnes su centralnych procesorovych jednotkach instalovane mikroventilatory, aby zabranili ich roztaveniu sa. Kvantove komputovanie ma prekonat tepelnu prekazku - aj ked oprava chyb bude stale zdrojom tepla. Ak kvantove komputovanie preukaze svoju realizovatelnost, nesporne sa bude vyuzivat v buducich superpocitacoch na predpovede pocasia a lustenie kodov. Ale predstavme si, ze by bola najdena jednoduchsia cesta citania dat z molekularnej struktury a ta by bola vyrobena z latky stabilnej pri izbovej teplote. Dosledky su uchvacujuce. Odhaduje sa, ze v mozgovej kore cloveka je ulozenych okolo 10tisi miliard bitov informacii. Lloydovo zrnko soli by ich mohlo obsahovat viac. Fotonove komputovanie by jednotlivcovi umoznovalo uskladnovat kompletne texty miliard knih. Online pristup k informacnym zdrojom by prestal byt zaujimavy, kazdy by napr. mohol vlastnit Kongresovu kniznicu v USA, ci akukolvek skladbu, aka kedy bola nahrana, ci digitalizovane reprodukcie umeleckych diel vsetkych muzei. Popri tom kazde domace zariadenie pocnuc zvukovym systemom a konciac hrebenom na vlasy by mohlo byt vybavene umelou inteligenciou rovnajucou sa ludskej alebo prevysujucou ju. Seth Lloyd sa podla vlastnych slov nevenuje pocitacom len preto, ze chce vybudovat ich dalsiu generaci. Zujima ho tiez, co sa deje s informaciou vo velmi malom meradle. "Predstavte si, ze mate zhluk bakterii, ktore vystavujete stale sa zvysujucemu teplu. Niektore bakterie nebudu schopne dalsej reprodukcie. Ine ano. Vysledkom je, ze vypestujete tepelne odolne bakterie. Tento prirodzeny vyber," pokracuje Seth Lloyd, "mozete povazovat za formu komputovania. Bakterie testuju rozne geneticke kombinacie. Niektoru su lepsie. Predstavte si, ze mate miliardu bakterii reprodukujucich sa kazdych desat sekund s desatpercentnou mierou mutacie - a genom (pozri poznamky) obsahuje priblizne 10 miliard bitov. "Predstavme si," pokracuje Lloyd, "ze v 100 bitoch je zachytenych mutacia a to, v com spociva. Mozete si predstavit bakteriu procesujucu 100-tisic bitov informacii za sekundu. To je len jeden priklad. Mozete si predstavit cely svet, ako podobnym sposobom spracuva informacie." Co si Seth Lloyd mysli o praktickom vyznam fotonoveho komputovania v buducnosti: "Nase fyzikalne vypocty bezia vyborne, ale vacsina prototechnologii vytiahnuta z laboratorii do masovej produkcie nefunguje. Odmietam cokolvek slubovat. Ale viem, ze to bude zaujimave dobrodruzstvo."

Preco prave kvanta?

Ako to vyplyva aj z Heisenbergovho principu neistoty, nie je mozne urcit, kde presne v atome sa nachadza elektron, pretoze elektron sa sprava, ako keby bol na viacerych miestach naraz. Je ale mozne zistit velkost energie elektronu a zmenit ju. Predstavte si, ze drzite jeden koniec lana a druhy je upevneny na stene. Zacnete hybat rukou, aby ste lano rozvlnili. Ak hybete rukou pomaly, lano robi iba jednu vlnu. Ak zrychlite pohyb ruky, objavia sa dve vlny oscilujuce okolo stredu. Este zrychlite pohyb a objavi sa trojo alebo este viac vibracnych vlneni. Nestala povaha elektronov ich umoznuje prirovnat k vlneniu. Predstavme si elektron vibrujuci okolo jadra atomu. Ak ho bombardujeme fotonami (castice svetla), pridavame energiu, takze vibruje rychlejsie. To nie je ten hladky prechod,, ku ktoremu dochadza, ked postupne vyhrievate miestnost. Elektron skoci z jedneho energetickeho stavu do ineho bez akejkolvek prechodnej urovne, podobne ako lahko vibrujucim lanom moze prechadzat jedno alebo alebo dve vlnenia, ale ziaden zlomok medzi nimi. Energeticky stav elektronu je nazyvany kvantovy stav, pretoze v atomoch energia existuje v jednotkach znamych ako kvanta. Podobne aj digitalne pocitace pouzivaju nuly a jednotky bez nejakych zlomkovych medzistupnov. Zda sa preto byt idealnym riesenim pouzit nizky energeticky stav elektronu, aby reprezentoval nulu a vysoky energeticky stav ako jednotku. Nanestastie, elektron nie je stabilnym miestom na ukladanie dat. Jeho energeticky stav sa moze menit pod vplyvom tepla, otrasov a pod inym vonkajsim vplyvom. Alebo moze elektron spontanne zmenit svoj energeticky stav tym, ze vysle foton. Tieto problemy by mohli byt vyriesene, no najskor budu potrebne najmenej dva alebo tri roky laboratornych skusok na overenie zakladnej koncepcie. A aj ked budu pokusy uspesne, lahko mozeme cakat dve desatrocia, kym zazijeme predaj kvantovych pocitacov beznym zakaznikom. Kvantová fyzika sľubuje absolútne diskrétnu komunikáciu. Vedci vypracovali návrh na nové zariadenie, ktoré by malo zabezpečiť absolútne diskrétnu, bezpečnú komunikáciu aj na obrovské vzdialenosti. Zariadenie podľa tohto návrhu by mal byť hotové do niekoľkých rokov. Kvantová fyzika môže poskytnúť metódy, vďaka ktorým je komunikácia medzi dvoma vzdialenými spravodajcami úplne bezpečná. Zaslaný fotón je „zapletený" do určitého kvantového stavu a prakticky znemožní tajným „odpočúvateľom" zachytiť správu. V súčasnosti však táto forma komunikácie funguje iba do limitovanej vzdialenosti. Je to spôsobené optickou absorpciou pozdĺž optických vlákien, vďaka ktorej fotón začne strácať svoj kvantový stav už po 15 kilometroch. Nové zariadenie – kvantový regenerátor (quantum repeater), ktorý je skonštruovaný dostupnou technológiou, by mal tento problém prekonať. „Náš výskum ukazuje, že kvantový regenerátor môžeme postaviť pomocou nástrojov, ktoré už existujú, alebo sa práve konštruujú." hovorí člen tímu, Michail Lukin z Harvardskej univerzity. Richard Hughes, expert na kvantovú komunikáciu v Národnom Laboratóriu v Los Alamos dodáva: „Je to veľmi dôležitý pokrok smerom ku praktickému využitiu kvantovej komunikácie." Aj napriek tomuto úspechu však Hughes poznamenáva, že ešte existujú nejaké technické problémy, ktoré bude treba vyriešiť. „Pred tým než tento experiment uskutočníme, musíme vypracovať ešte mnoho detailov."

Dočasná pamäť

Kvantové regenerátory boli po prvý krát ponúkané ako riešenie problému so stratou signálu (dočasným uložením kvantového stavu každého fotónu) už pred niekoľkými rokmi. Takto by sa nový fotón s rovnakým kvantovým stavom generoval v každom nasledujúcom regenerátore – to by znamenalo, že každý prenos na veľkú vzdialenosť by sa skladal z množstva krátkych úsekov ohraničených regenerátormi. Vedci už dávnejšie demonštrovali, že jediný atóm môže byť použitý na dočasné uloženie kvantového stavu fotónu. Tento proces však nikdy nebol natoľko spoľahlivý, aby bol vhodný pre použitie v kvantových regenerátoroch. Nová konštrukcia využíva niekoľko atómov na jeden fotón v každom kvantovom regenerátore, čím vedci významne zdokonalili jeho spoľahlivosť.
„Pracuje to oveľa spoľahlivejšie a taktiež sa zlepšil aj pomer signál/šum celého zariadenia." tvrdí ďalší člen tímu – Peter Zoller z Inštitútu teoretickej fyziky v Innsbruckej univerzite v Rakúsku