Rychlejší zpracování dat? Ano, samozřejmě, je to možné. Počítá se s tím, že díky použití kvantových počítačů nejde o hudbu nějak vzdálené budoucnosti. Další krok na této cestě udělal mezinárodní tým vědců, jehož součástí byli i odborníci z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Že přišli s něčím skutečně zajímavým dokazuje i skutečnost, že výsledky jejich bádání zveřejnil renomovaný časopis Nature Communications.
Mezinárodní skupina vědců z University of Tokyo, Australian National University, University of New South Wales a a Univerzity Palackého v Olomouci (UPOL) spolupracuje už delší dobu. Zaměřují se na nelineární měření propagujícího se elektromagnetického pole. Je totiž podle nich klíčem k sestrojení superrychlých kvantových počítačů.
A právě experiment, který provedli v laboratorních podmínkách jako vůbec první na světě ukázal, že jejich badatelská skupina kráčí správným směrem. Její součástí jsou i profesor Radim Filip působící na katedře optiky Přírodovědecké fakulty UPOL a jeho kolega z katedry, docent Petr Marek.
Kvantové počítače využívají specifické vlastnosti mikrosvěta atomů a
fotonů, především princip kvantové superpozice (základní princip kvantové mechaniky, podle kterého lze každé dva kvantové stavy kombinovat, čímž vznikne nový kvantový stav, pozn. red.). Na základě této schopnosti mohou výrazně překonat rychlost klasických počítačů. Ty pracují s klasickými bity založenými na binárních číslicích 0 a 1. Kvantové počítače naproti tomu využijí svých komplexních superpozic na masivních počtech atomů a fotonů.
Základem fungování optických kvantových počítačů jsou nelineární
operace. Jde o násobení mezi určitými vlastnostmi kvantových stavů. Ve srovnání se základními lineárními operacemi, které pouze sčítají a odčítají, není možné nelineární operace efektivně simulovat na klasických počítačích. Díky využití kvantových počítačů by tak mělo dojít k navýšení rychlosti výpočtů a zpracování.
Světlo, šum a nelinearita
Jak vlastně k výsledkům zveřejněným v časopise Nature Communications vědecký tým dospěl? Nelinearity výzkumníci dosáhli prostřednictvím kombinace rychlých nelineárních výpočtů v digitálních elektronických obvodech a nových stavů světla se silně kvantovými vlastnostmi snižujícími šum v nelineárních obvodech. Pomocí měření na velkém vzorku různých stavů světla následně ověřili, že měřicí obvod skutečně provádí požadovanou nelineární operaci.
„V rámci desetileté vědecké spolupráce byla poprvé vyvinuta a verifikována klíčová technologie rychlé a flexibilní nelineární manipulace se stavy světla pomocí elektronické dopředné vazby, která je zásadní pro budoucí využití nejen v optických kvantových počítačích. S její pomocí bylo zkonstruováno nelineární měření využívající tuto rychlou dopřednou vazbu a pomocné stavy světla se
silně kvantovými vlastnostmi,“ konstatoval profesor Radim Filip.
Badatelé použili nelineární elektronické obvody, které využívají koncept vyhledávací tabulky. S její pomocí jsou tak požadované hodnoty nelineárních funkcí vypočítány předem. Při samotném experimentu byly tyto hodnoty pouze vyvolány z paměti. Daná metoda podle vědců umožňuje vysokou rychlost obvodu a je s ní spojena potřeba pouze malého optického zpoždění a nízkých ztrát.
Zatímco lineární dopředná vazba (je založena na průběžném prognózování výsledků (hodnot na výstupu) a korekci plánu (hodnot na vstupu) již na základě těchto prognóz, ne až na reálně dosažených výsledcích (výstupech), pozn. red.) se stala běžnou experimentální technikou, nelineární dopředná vazba dosud nebyla realizována. Mezinárodní badatelský tým tak jako vůbec první na světě prokázal její možné využití.
PŘEČTĚTE SI: Malý krůček pro lidstvo, větší pro Google. Firma oznámila skok na cestě za vytvořením výkonného kvantového počítače
Potenciál se od skutečnosti liší
Kvantové počítače a jejich využití slibují vyřešit určité výpočetní úlohy výrazně rychleji než je to možné na současných modelech počítačů. Cílem výzkumu kvantového počítání je praktické využití kvantového počítače, který je škálovatelný, univerzální a odolný vůči chybám.
Nejrůznější fyzické systémy, ať jde o supravodivá zařízení nebo polovodičové sestavy, už byly rozsáhle zkoumány. Dosavadní poznatky ukazují, že optické systémy mají ve srovnání s nimi jedinečný potenciál, především co se škálovatelnosti týče.
K dispozici je už také několik studií o nelineárním předávání nebo analogové dopředné vazbě s vyhrazenými obvody pro konkrétní úkol. Ukázalo se ale, že nelineární dopředná vazba je neflexibilní, případně příliš pomalá pro synchronizaci elektrických a optických signálů, což je nezbytné pro MBQC (kvantový počítač založený na měření; jde o metodu kvantového počítání, která nejprve připraví stav zdroje, obvykle stav clusteru nebo stav grafu, a poté na něm provede jednotlivá qubitová měření, pozn. red.). I proto je nelineární dopředná vazba klíčovým prvkem pro dosažení celkového potenciálu optického kvantového počítače.
Právě rychlý nelineární dopředný systém byl klíčovou technologickou součástí
náročného experimentálního nastavení. Důvodem je to, že pomalý signál
zpracování vede k dlouhé optické zpožďovací lince, což má za následek nepříznivé účinky jako je například ztráta a kolísání fáze. Badatelé proto použili FPGA desku (programovatelné hradlové pole; v elektronice typ logického integrovaného obvodu obsahující pole programovatelných logických obvodů a logických bloků; umožňuje je navzájem propojit a tím vytvořit takřka libovolné číslicové zařízení, pozn. red.) osazenou analogově-digitálními AD/DA převodníky s nízkou latencí a implementovanou vyhledávací tabulkou FPGA.
Latence FPGA desky dosáhla 26,8 nanosekund, což odpovídá přibližně osmi metrům optické zpožďovací linky, které mohou být v experimentálních sestavách stabilizovány.
Úspěšný experiment jako naděje do budoucna
Kvalita nelineárního kvantového měření závisí na snížení jeho šumu. „Pro toto nelineární měření jsou zásadní stavy, které mají vhodně potlačené nelineární kvantové fluktuace. V experimentu byly proto využity nelineárně stlačené stavy, poprvé vygenerované naším společným týmem v roce 2021,“ doplnil svého vědeckého kolegu docent Petr Marek.
Pro vyhodnocení měření bylo jako testovací signál využito slabé laserové světlo připravené s 27 různými hodnotami amplitud a rovnoměrně rozdělenou fází. Celkem bylo proměřeno 2,16 milionu bodů. Naměřené výsledky vykazovaly nelineární závislost na vlastnostech signálu podle teoretických očekávání vědců.
Celý soubor testovacích stavů a výsledků byl posléze použit na rekonstrukci kvantových vlastností detektoru. „Potlačení kvantového šumu navíc přesně odpovídalo nelineárnímu stlačení pomocných stavů. Nelineární měření bylo tedy úspěšně experimentálně prokázáno,“ uvedl docent Marek.
Dlouhodobá spolupráce badatelů z katedry optiky UPOL s jejich kolegy z tokijské univerzity zacílená na měření indukovaných kvantových operací se světlem bude pokračovat i nadále. „Přitáhla značnou pozornost i na ministerské a diplomatické úrovni, protože kvantové technologie se rychle stávají prioritou všude ve světě,“ zdůraznil profesor Filip.
Pro konstrukci kvantových počítačů vědci zvažují řadu platforem. Vedle supravodivých kvantových bitů a spinů atomů se do popředí jejich zájmu dostávají také velkokapacitní mikrovlnná a optická řešení. Hlavní výhodou optických řešení je, že mohou operovat za pokojové teploty s vysokými opakovacími frekvencemi, a to až v řádu terahertzů. Optické kvantové počítače lze navíc díky moderním technologiím klasické optické komunikace propojovat i na velkou vzdálenost.
Experiment skupiny badatelů, v níž má zastoupení také česká věda dokázal funkčnosti flexibilní a rychlé nelineární dopředné vazby použitelné pro pohybující se lokalizované kvantové stavy v čase. Při nezbytné kombinaci faktorů mohou být všechny operace potřebné pro univerzální kvantový výpočet odolné proti chybám. Na základě toho je tak možné sestavit technologii pro optické kvantové výpočty. Jejich reálnému využití jsme tak znovu o něco blíže.
PŘEČTĚTE SI: Startup Quantagonia umí propojit klasické a kvantové počítače. Teď získal investici od Tensor Ventures
