Neděle, 27 září
Shadow

Kvantový seriál II.: Kvantové počítání s ionty – Christopher Monroe a David Wineland, nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2012

Umělecké ztvárnění iontové pasti (viz dále v článku). Skutečné zařízení pro provoz iontové pasti opravdu vypadá jako integrovaný obvod na obrázku, uvnitř něj jsou ionty udržovány magnetickým a elektrickým polem. Rozměry iontů jsou samozřejmě poněkud předimenzovány.
Umělecké ztvárnění iontové pasti (viz dále v článku). Skutečné zařízení pro provoz iontové pasti opravdu vypadá jako integrovaný obvod na obrázku, uvnitř něj jsou ionty udržovány magnetickým a elektrickým polem. Rozměry iontů jsou samozřejmě poněkud předimenzovány.

Po napsání článku o kvantové teleportaci (zde) jsme se rozhodli připravit pro naše čtenáře kvantovou minisérii – několik volně souvisejících statí o tom, jak se kvantová mechanika, tato tajemná a zdánlivě odtažitá a nepochopitelná oblast fyziky a její zákony projevují v našem běžném životě a jak k němu mohou přispět. Následující stať je překladem článku Christophera Monroe a Davida Winelanda, vědců, kteří svůj profesní život zasvětili kvantovým počítačům – strojům, které v budoucnu mohou znamenat novou revoluci v informatice, šifrování a dalších odvětvích. Článek byl uveřejněn v časopisu Scientific American. Je poměrně náročný, ale při troše snahy o pochopení si vystačíte se středoškolskými znalostmi fyziky a aspoň základním povědomím o zákonech kvantové mechaniky. Naše poznámky a vysvětlivky k textu jsou označeny kurzívou, nejsou nutné k jeho pochopení, obsahují dodatečné informace a podrobnější vysvětlení některých úvah. 

Výzkumníci dělají první kroky ve stavbě ultravýkonných počítačů, které pro výpočty používají jednotlivé atomy

Za posledních několik desetiletí technické inovace dramaticky zvýšily rychlost a spolehlivost počítačů. Moderní počítačové čipy dnes obsahují téměř miliardu transistorů na destičce křemíku o ploše pouhého čtverečního palce a v budoucnu budou počítačové komponenty zmenšeny dokonce ještě více, až na velikost jednotlivých molekul. Při takových rozměrech už počítače mohou vypadat podstatně jinak a jejich fungování se řídí kvantovou mechanikou, fyzikálními zákony, jež vysvětlují chování atomů a subatomárních částic. Potenciální výhoda kvantových počítačů spočívá v tom, že teoreticky mohou provádět některé obtížné výpočetní operace podstatně rychleji, než konvenční počítače.

Asi nejznámější z těchto operací je rozklad velkých čísel na součin dvou prvočísel. Vzájemné vynásobení dvou prvočísel je jednoduchá úloha, kterou počítače snadno zvládnou i když se jedná o čísla tvořená stovkami cifer. Obrácený postup, tedy rozklad na prvočísla, je však tak mimořádně náročná úloha, že se stala základem pro téměř všechny v současnosti používané druhy šifrování dat – od nakupování na Internetu až po přenos dat, podléhajících utajení kvůli národní bezpečnosti.

Pozn. Atominfo.cz: Stojí za to si v této souvislosti připomenout podstatu problému. Ze školy všichni známe poučku o tom, že každé složené číslo lze jednoznačně rozložit na součin prvočísel. Známe-li dvě velká prvočísla, například každé o 75 místech, jejich vynásobením získáme složené číslo o 150 nebo 151 místech. Pomocí něj můžeme zašifrovat (existuje na to řada algoritmů) jakoukoliv zprávu tak, že složené číslo je známé, zatímco rozklad zná jen příjemce, jemuž je zpráva určena. Pokud bychom chtěli tuto šifru prolomit, potřebujeme zjistit právě tento rozklad. Dnes však není znám žádný jiný způsob, jak to udělat, než zkoušet jedno po druhém všechna čísla menší, než odmocnina z něj. Ta má řádově 75 cifer (nepočítáme ta za desetinnou čárkou), tedy před ní musíme vyzkoušet přibližně 10^75 čísel. Nejvýkonnější superpočítače jsou schopny provést okolo 10^16 operací za sekundu, potřebují proto na kontrolu všech možných čísel okolo 10^59 sekund, což přesahuje dosavadní věk vesmíru. Je to sice nejhorší možný odhad (počítač může narazit na potřebné číslo náhodou již po několika krocích), nicméně i v praxi je taková šifra metodou hrubé síly prakticky neprolomitelná.

V roce 1994 ukázal Peter Shor, vědec později pracující také v Bellových laboratořích, že kvantový počítač by mohl prolomit takové šifrovací kódy velmi snadno, protože by rozkládal čísla exponenciálně rychleji, než jakýkoliv jiný známý algoritmus. Navíc, v roce 1997 Lov K. Grover (také z Bellových laboratoří) ukázal, že kvantový počítač by mohl značně urychlit vyhledávání v neorganizované databázi, jako je například telefonní seznam, hledáme-li nikoli podle jména, ale podle telefonního číslo hledané osoby.

Pozn. Atominfo.cz: takové vyhledávání je samozřejmě náhodné a z určitých důvodů kvantové počítače provádějí takové operace rychleji. 

Zkonstruovat takový kvantový počítač však nebude snadné. Kvantový hardware – atomy, fotony nebo různé mikrostruktury, jež skladují data ve formě kvantových bitů, tzv. qubitů, musí vyhovět požadavkům, jež jsou protichůdné. Qubity musí být dostatečně izolovány od svého okolí, aby mohly správně fungovat. Při kontaktu s okolím dochází k nežádoucímu jevu, známému jako dekoherence, jež je černou můrou kvantových počítačů. Na druhou stranu qubity musejí silně interagovat mezi sebou a musí být možné nakonec přesně změřit jejich stav a zjistit tak výsledek provedených výpočtů.

Vědci po celém světě zatím použili několik přístupů při konstrukci prvních prototypů kvantových počítačů. Náš výzkum se zaměřuje na zpracování informace pomocí jednomocných kationtů – atomů, jimž byl odebrán jeden elektron. Vytvořili jsme krátké řetízky těchto iontů, jež byly udržovány ve vakuu pomocí elektrického pole generovaného blízkými elektrodami. Těmto iontům jsme poté vložili vstupní informaci pomocí laseru a ionty získaná data sdílely mezi sebou. Naším cílem je vývoj kvantových počítačů, které by bylo možné postupně rozšiřovat, což znamená, že by počet qubitů mohl být zvětšován do stovek až stovek tisíc. Takové systémy by se už snad mohly zhostit úkolů, jež jsou pro běžné počítače zcela nemyslitelné, a naplnit tak očekávání a naděje, které jsou s kvantovými počítači spojené.  

Chytání iontů

Kvantová mechanika je teorie, založená na mechanice vlnění. Když je kvantová částice změřena ve svém složeném stavu, konvenční interpretace říká, že její stav zkolabuje do jednoho z možných stavů s pravděpodobností danou relativním podílem jednotlivých stavů v superpozici (bližší vysvětlení je v dalším odstavci). Potenciální výhoda kvantových počítačů se odvíjí právě od těchto superpozicí. Na rozdíl od klasického bitu, který může mít hodnotu buď 0 nebo 1, qubit může mít zároveň obě hodnoty. Systém se dvěma qubity může mít současně čtyři hodnoty 00, 01, 10, 11. Obecně může kvantový počítač s N qubity manipulovat současně s 2N čísly. Systém pouhých 300 atomů, kde by každý atom představoval qubit, by mohl reprezentovat více čísel, než jaký je počet částic ve vesmíru!

Pozn. Atominfo.cz – vysvětlit souvislost mezi zvláštnostmi kvantové mechaniky a fyzikou vlnění je bez matematického aparátu poměrně náročné. Základní myšlenka spočívá v tom, že klasická mechanika rozlišuje dva objekty – částice a vlny, které se podle našich zkušeností chovají velmi rozdílně. V mikrosvětě to však neplatí a mikročástice se mohou někdy chovat jako vlny a někdy jako částice. Stejně jako se zvukové vlny ze dvou a více strun klavíru skládají do akordů, různé kvantové stavy se mohou vzájemně kombinovat – skládat (superponovat). Atom může být například současně na dvou různých místech či ve dvou různých excitovaných stavech. Nevíme, v jakém stavu je, dokud jej nezměříme. To platí i v klasické mechanice – nevíme, jak rychle automobil jede, pokud se nepodíváme na tachometr. Odlišnost kvantové mechaniky spočívá právě v tom, že možných stavů je víc – jako kdyby auto mohlo jet dvěma různými rychlostmi a pokud bychom změřili jeho rychlost za stejných podmínek například 100-krát, tak 30-krát z toho pojede třicítkou a 70-krát šedesátkou.

Takovéto velké superponované kvantové systémy, popsané v předchozím odstavci, jsou obvykle ve zvláštním spojení, nazývaném provázání. Hodnoty naměřené u jednotlivých qubitů nejsou nezávislé a korelují spolu. Kvantové provázání může být chápáno jako neviditelný vodič propojující jednotlivé částice, jež nemá obdobu ve světě klasické fyziky, vodič, jež Einstein nazýval „ děsivým působením na dálku“. V našich experimentech s polapenými ionty se kupříkladu každý levitující ion chová jako malý magnet. Stav qubitu odpovídá dvěma možným orientacím magnetu (řekněme nahoru a dolů). Atomy jsou v iontové pasti udržovány téměř v klidu laserovým chlazením, které funguje tak, že laserový paprsek odnímá atomům kinetickou energii díky rozptylu fotonů. Ionty jsou umístěny ve vakuové komoře, ale jejich vzájemné elektrické odpuzování stačí k tomu, aby mohly být vzájemně provázány. Manipulace s jednotlivými qubity, přenos a měření v nich uložených dat pak zajišťují laserové paprsky, tenčí než lidský vlas. Během posledních několika let provedli vědci řadu e experimentů, které prokázaly teoretickou realizovatelnost počítání pomocí polapených iontů.

Pozn. Atominfo.cz – v originálu článku je použit termín „proof-of-principle experiment“. Jsou to pokusy, jejichž účelem je potvrdit, že nějaká teorie, například fyzikální, je správná ze své podstaty, tedy například že na polapených iontech může být realizován určitý výpočetní algoritmus. Takové pokusy však nemusejí nutně přinést praktické výsledky – může se ukázat, že prostředky, které je k tomu nutno použít, jsou příliš náročné. Historickým příkladem mohou být například první experimentální jaderné reaktory, které prokázaly, že procesy radioaktivního rozpadu uvolňují teplo. K tomu, aby bylo možné postavit fungující jadernou elektrárnu, však bylo potřeba několika let bádání, vývoje materiálů, turbín a bezpečnostních systémů. Stejně tak například první tranzistory byly velkých rozměrů a bylo potřeba vynalézt integrované obvody, abychom na nich mohli provozovat počítače.

Výzkumníci vytvořili provázané stavy až osmi qubitů a ukázali, že tyto primitivní systémy dokážou provádět jednoduché algoritmy. Jeví se jako přirozené (ačkoli se jedná o velkou technologickou výzvu) rozšířit počítač využívající polapené ionty o mnohem větší počet qubitů. Podobně jako v křemíkových počítačích to znamená propojit několik druh kvantových hradel, každé tvořené jen několika ionty. Vědci by rádi přizpůsobili běžné techniky používané pro eliminaci chyb i pro potřeby kvantových počítačů. Jeden qubit by mohl být například tvořen ne jedním, ale hned několika ionty. Takové zálohování dat by systému umožnilo tolerovat chyby, pokud by se neobjevovaly příliš často. Použitelný kvantový počítač by nakonec zahrnoval nejméně tisíce iontů, uvězněné v komplexních sítích elektrod na mikroskopickcýh čipech.

Pro výrobu univerzálního kvantového počítače, jež by byl schopen vykonávat všechny běžné výpočty, je třeba splnit několik požadavků. Prvním takovým je spolehlivá paměť. Pokud umístíme qubit do superponovaného stavu 0 nebo 1, kdy magnetická orientace iontu směřuje nahoru i dolů současně, musí ion v tomto stavu setrvat až do doby, kdy jsou data zpracována a změřena. Vědci už dlouho vědí , že ionty udržované v elektromagnetických pastech mohou sloužit jako výborné qubitové paměti se superpozičními časy (jinak známé jako koherenční časy) přesahujícími 10 minut. Tato relativně dlouhá doba je dána velmi slabou interakcí mezi iontem a jeho okolím.

Druhou základní podmínkou pro funkční kvantový počítač je schopnost manipulovat jednotlivými qubity. Pokud jsou qubity založeny na magnetické orientaci uvězněného ionu, vědci mohou na ion působit přesně danou dobu oscilujícím magnetickým polem, aby qubit překlopili do druhé orientace (např z 0 do 1 a obráceně) nebo mohou qubit převést do superponovaného stavu. Jelikož vzdálenosti mezi ionty jsou malé, typicky nanometry, je obtížné magnetické pole zaměřit na jeden určitý ion. Toto je však nesmírně důležité, jelikož často je zapotřebí změnit orientaci jen jednoho qubitu beze změny orientace těch ostatních. Lze toho dosáhnout například použitím laserových paprsků, které je možné zaměřit na požadované iontů.

Třetí důležitý požadavek je z qubitů zkonstruovat alespoň jeden druh logických hradel. Může se jednat o známé logické prvky AND a OR, jež jsou základními stavebními prvky klasických procesorů, ovšem tyto prvky zároveň musejí zohledňovat superponované stavy každého qubitu. . Oblíbenou volbou pro dvou-qubitovou logickou bránu je takzvané „kontrolované not“ (CNOT) hradlo. Řekněme, že máme qubity A a B. A je kontrolním qubitem. Pokud je hodnota A rovna 0, CNOT hradlo ponechá B nezměněný. Pokud je A rovno 1, hradlo překlopí B a změní tak jeho hodnotu z 0 na 1, případně obráceně. Toto hradlo se taktéž nazývá „podmíněné logické hradlo“, jelikož působení na qubit B (ať je v jakémkoli stavu) závisí na stavu vstupního qubitu A.

Pro výrobu CNOT hradla ze dvou iontových qubitů je zapotřebí, aby mezi sebou nějakým způsobem komunikovaly (aby docházelo k takzvanému „couplingu“). Vzhledem k tomu, že oba qubity jsou kladně nabité částice, jejich pohyb je vzájemně silně svázán elektrickým odpuzováním. V roce 1995 Juan Ignacio Cirac a Peter Zoller z univerzity v Innsbrucku v Rakousku navrhli použít tuto interakci pro nepřímé propojení vnitřních stavů dvou iontových qubitů a vytvořit tak CNOT hradlo.

Stručné vysvětlení jedné z variant jejich hradla je následující: nejprve si představme dvě kuličky v misce. Předpokládejme, že kuličky jsou nabité a vzájemně se odpuzují. Obě kuličky se chtějí dostat na dno misky, ale jejich vzájemné odpuzování způsobí, že se usadí naproti sobě, o kousek výše než je nejnižší bod misky. V takovém systému pohyb každé z kuliček závisí na pohybu druhé – mohly by v misce například kmitat tam a zpět podél jejich společné spojnice, ale jejich vzájemná vzdálenost by byla zachována. Pár qubitů v iontové pasti by se choval podobně, kmital by sem a tam jako dvě kyvadla spojená pružinou. Vědci umí vytvořit takový pohyb pomocí laserových pulsů stejné frekvence jako je vlastní frekvence iontů v pasti. Co je však důležité, laserový paprsek může působit na ion pouze pokud magnetické pole iontu směřuje „nahoru“, což zde odpovídá hodnotě qubitu rovné 1. Navíc tyto miniaturní magnety mění svou orientaci během oscilace v prostoru v prostoru a intenzita této rotace závisí na tom, zda je ve stavu 1 jen jeden nebo oba ionty. Celkovým výsledkem je, že použijeme-li laserový puls pečlivě zvolené intenzity po velmi přesný časový úsek, můžeme vytvořit CNOT hradlo. Když jsou qubity iniciovány v jejich superponovaných stavech, působení laseru ionty prováže, což, jak už bylo výše vysvětleno, je základní operace pro uskutečnění jakéhokoliv kvantového počítání mezi ionty.

Výzkumníci z několika světových laboratoří, včetně skupin z Innsbrucké univerzity, Michiganské univerzity v Ann Arbor, Národního institutu standardů a technologií (NIST) a Oxfordské univerzity, představili funkční CNOT hradla. Samozřejmě žádné z těchto hradel nefungovalo dokonale. Výsledky experimentů byly omezené fluktuacemi intenzity laserového svazku a rušivými elektrickými poli, jež snižují integritu laserem buzených pohybů iontů. V současné době jsou výzkumníci schopni vytvořit dvou-qubitové hradlo fungující s přesností o něco větší než 99 %. Jinými slovy pravděpodobnost, že hradlo udělá chybu, je méně, než 1 %. Ovšem kvantový počítač, schopný provádět prakticky použitelné výpočty, potřebuje dosáhnout přesnosti vyšší než 99,99 %, aby opravné mechanismy fungovaly správně. Jednou z hlavních úloh pro všechny výzkumníky v oboru iontových pastí je proto minimalizovat vnější rušivé vlivy, aby bylo dosaženo požadované přesnosti. Ačkoli tento úkol bude určitě velmi náročný, nejsou známy žádné zásadní překážky kromě technických.

Iontové dálnice

Mohou však výzkumníci skutečně zkonstruovat plně funkční kvantový počítač s využitím iontových pastí? Naneštěstí se ukazuje, že kontrolovat uspořádání čítající více než 20 iontů je téměř nemožné kontrolovat, vzhledem k ohromnému počtu navzájem interferujících pohybů. Vědci se proto obrátili k myšlence rozdělení kvantového hardwaru na malé, lépe ovladatelné části, které by prováděly výpočty pomocí kratších řetězců iontů, které se mohou po čipu podle potřeby přemísťovat. Elektrické síly, potřebné k pohybu s těmito řetízky, vnitřní stavy řetízků nenaruší a data v řetízcích uložená zůstávají neporušena. Výzkumníci by mohli řetízky vzájemně kvantově provázat, zajistit tím přenos informací a provádět výpočty, vyžadující činnost mnoha hradel. Výsledná architektura by připomínala známý „charge-coupled device“ (CCD) používaný v digitálních kamerách. Podobně jako CCD může přemisťovat elektrický náboj po síti kondenzátorů, kvantový čip by mohl přemisťovat řetízky iontů po mřížce lineárních pastí. Mnohé z experimentů s uvězněnými ionty prováděných v laboratořích NIST zahrnovaly přemisťování iontů skrz past, složenou z mnoha zón. Upravit takové schéma pro mnohem větší systém však vyžaduje velmi sofistikované struktury s velkým množstvím elektrod, jež by mohly vést ionty v libovolném směru. Takové elektrody musejí být velice malé, v rozpětí desítek až stovek nanometrů, aby mohly přesně kontrolovat přesun iontových řetízků na dané místo. Stavitelé iontových kvantových počítačů však mají k dispozici již existující techniky výroby elektrod velmi malých rozměrů, jako jsou například mikoroelektromechanické systémy (MEMS), a polovodičová  litografie. Tyto metody jsou používány pro výrobu tradičních křemíkových čipů.

Během uplynulého roku několik výzkumných týmů představilo první integrované iontové pasti. Vědci z Michiganské univerzity a z fyzikální laboratoře z univerzity v Marylandu využili pro jejich kvantový čip polovodič na bázi arsenidu galia. Výzkumníci z NIST zase vyvinuli novou geometrii iontové pasti, kde se ionty vznášejí nad povrchem čipu. Skupina z Alcatel-Lucent a Sandia National Laboratories vyrobila dokonce iontovou past zabudovanou do křemíkového čipu. Většina výzkumu se odehrává právě na poli těchto iontových pastí zabudovaných do čipů. Tepelný pohyb blízkého povrchu musí být minimalizován, nejlépe ochlazením elektrod pomocí tekutého dusíku či tekutého helia. Výzkumníci pak musí vhodně koordinovat pohyb iontů přes čip tak, aby nedošlo ke zvýšení teploty a rozrušení uspořádání. Například, přesun iontů „za roh“ v T-spojení vyžaduje pečlivou synchronizaci elektrických polí.  

Fotonové spojení

Vědci zkoumají také další způsoby výstavby kvantových počítačů z  polapených iontů, tento postup by mohl obejít některé problémy s kontrolou pohybu částic . Namísto propojení iontů pomocí jejich oscilačních pohybů používají tito vědci k provázání qubitů fotony. V návrhu založeném na myšlenkách, jež zveřejnili v roce 2001 Cirac, Zoller a jejich kolegové Luming Duan z Michganské univerzity a Mikhail Lukin z Harvardovy univerzity, jsou fotony emitovány z každého lapeného iontu tak, že jejich jejich polarizace a vlnová délka jsou provazány s magnetickým stavem. Tyto fotony pak putují optickými vlákny do děliče paprsku.

(Pozn. Atominfo.cz: dělič paprsku je zařízení, nejčastěji krychle ze speciálních materiálů, která při vstupu světelného paprsku způsobuje fázový posun a dělí jej na dvě světelné vlny)

Fotony do něj přiletí z protilehlých stran a, pokud mají stejnou polarizaci a vlnovou délku, skládají se do jedné vlny, která putuje dál detektoru po stejné dráze. (Takzvaný Hong-Ou-Mandelův efekt, více o něm zde). Pokud však mají fotony rozdílnou polarizaci nebo vlnovou délku, což odpovídá jiným qubitovým stavům iontů, částice mohou putovat různými cestami do páru detektorů. Důležitým bodem zde je, že po detekci fotonů není možné určit, který ion emitoval který foton, tento jev, typický pro kvantovou fyziku vede k provázání iontů.

Emitované fotony však nejsou z iontů odvedeny nebo detekovány úspěšně při každém pokusu. Ve skutečnosti je většina fotonů ztracena a ionty tak nejsou provázány. Přesto je pořád možné se s touto chybou vypořádat jednoduše opakováním uvedeného procesu a čekáním na fotony, které budou změřeny na detektorech současně. Jakmile k tomu jednou dojde, manipulace s jedním qubitem se dotkne i qubitu druhého, jakkoli daleko jsou od sebe ionty vzdáleny, a to umožňuje konstrukci CNOT hradla.

Pozn. Atominfo.cz: toto místo je poněkud náročnější na pochopení a vyžadovalo by detailnější popis. Pro základní porozumění však stačí zdůraznit hlavní myšlenku: provázání iontů způsobí, že stav jednoho z nich závisí na stavu druhého a na tomto základě lze vytvořit CNOT hradlo. Problém je vytvořit jich víc a učinit jejich práci spolehlivou. 

Vědci z Michiganské univerzity a univerzity v Marylandu úspěšně provázali dva iontové qubity vzdálené asi metr od sebe a využili k tomu interference jimi emitovaných fotonů. Hlavní překážkou při takových experimentech je nízká četnost, s jakou k provázání dochází. Pravděpodobnost zachycení těchto jednotlivých fotonů do optického vlákna je tak nízká, že provázání iontů nastává jen několikrát za minutu. Tuto frekvenci lze dramaticky zvýšit obklopením každého iontu vysoce odrazivými zrcadly v zařízení, zvaném optická komora, což by zlepšilo odvod emitovaných fotonů do optických vláken. Sestrojit takový systém je však nesmírně experimentálně náročné. Pokud se však interference podaří dosáhnout, výzkumníci ji mohou použít ke zpracování kvantové informace. (Procedura je podobná tomu, jako byste chtěli nainstalovat kabelovou televizi do nového domu. Ačkoli strávíte mnoho času telefonáty, aby vám poskytovatel systém nainstaloval, nakonec je kabel připojen a vy můžete sledovat televizi pořád a kdykoliv)

To lze uskutečnit například vytvořením hradla z většího množství qubitů připojováním dalších a dalších iontů pomocí optických vláken a opakováním procedury, což zvýší četnost provázání. Podobně připadá v úvahu využít jak provázání pomocí fotonů, tak pomocí oscilujícího pohybů iontů, k propojení několika malých iontových pastí uspořádaných do klastrů pro komunikaci na velké vzdálenosti. Toto je princip takzvaného „kvantového opakovače“, ve kterém jsou malé kvantové počítače zesíťovány v opakujících se vzdálenostech za sebou, aby byl udržen qubit putující na stovky kilometrů daleko. Při takových vzdálenostech je totiž opakovač naprosto nutný k přenosu dat.  

Kvantová budoucnost

Vědci jsou ještě stále daleko od konstrukce kvantového počítače, jež by se mohl zhostit náročných úkolů, které jsou nad síly konvenčních zařízení, například zmíněného rozkladu velkých čísel. Některé principy kvantového zpracování informací však již dnes nacházejí praktické uplatnění. Některé jednoduché logické operace použité v dvou-qubitových hradlech lze využít v atomových hodinách (měření času pomocí frekvence záření emitovaného z některých atomů při přechodu mezi jejich kvantovými stavy). Obdobně mohou výzkumníci použít techniky provázání iontů ke zvýšení citlivosti spektroskopie (analýzy světla emitovaného excitovanými atomy).

Pozn. Atominfo.cz: metody spektroskopie jsou využívány při zjišťování složení všeho možného – od salámů po hvězdy.

Kvantové informace možná v budoucnu radikálně změní metody řešení nejrůznějších výpočetních úloh. Soubory polapených atomů patří mezi nejslibnější kandidáty na systémy schopné takové výpočty provádět, jelikož poskytují bezkonkurenční úroveň izolace od okolí v porovnání s jinými schématy. Použitím laserů mohou výzkumníci zároveň snadno připravit a měřit kvantově provázané superpozice qubitových stavů tvořené malým počtem iontů. V následujících letech se můžeme těšit na novou generaci čipů s iontovými pastmi které by mohly vydláždit cestu kvantovým počítačům s mnohem větším počtem qubitů. Poté možná vědci konečně realizují svůj sen – sestrojit kvantový stroj, schopný poprat se s úlohami, považovanými dnes za prakticky neřešitelné.

O autorech

David Wineland (vlevo) a Serge Haroche, letošní nositelé Nobelových cen za fyziku za "revoluční pokusy, které ukázaly nové možnosti měření kvantových systémů a manipulace s nimi". Zdroj: ČTK
David Wineland (vlevo) a Serge Haroche, letošní nositelé Nobelových cen za fyziku za „revoluční pokusy, které ukázaly nové možnosti měření kvantových systémů a manipulace s nimi“. Zdroj: ČTK

Christopher R. Monroe je profesorem fyziky na univerzitě v Marylandu a výzkumný pracovník Joint Quantum Institute v Marylandu a National Institute of Standards and Technology. Monroe se specializuje na elektromagnetické pasti, laserové chlazení a kvantovou manipulaci s atomy a ionty. David J. Wineland obdržel B.A. na Californské univerzitě v Berkeley v roce 1965 a Ph.D. na Harvardově univerzitě v roce 1970, je vedoucím výzkumné skupiny zabývající se manipulací iontů na NIST oddělení času a frekvence v Boulderu, Colo. Skupina se zabývá laserovým chlazením a spektroskopií lapených atomových iontů. David Wineland obdržel letos s francouzským fyzikem Sergem Harochem Nobelovu cenu za fyziku.

Fotografii Christophera Monroe v dostatečném rozlišení bohužel nemáme k dispozici, ačkoliv si své umístění zde zaslouží úplně stejně, jako David Wineland. Lze je však najít například zde

Zdroj: Scientific America (původní článek zde)

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..