Kvantové počítače slibují výkon, o kterém si klasické stroje mohou nechat jen zdát. Díky využívání qubitů, tedy jednotek informací založených na principech kvantové mechaniky, dokážou provádět výpočty paralelně. Jenže jejich vývoj naráží na zásadní překážku – náhodné chyby. Jakmile qubity interagují s prostředím, snadno dojde k jejich rozladění a výsledky se stávají nespolehlivými.

Dlouho se vědci snažili problém řešit přidáváním dalších fyzických qubitů, které slouží jen pro detekci a opravu chyb. Tento postup funguje, ale má zásadní nevýhodu – čím více logických qubitů potřebujeme, tím exponenciálně roste množství fyzických qubitů. Výsledkem jsou obří, složité a energeticky náročné stroje, které je téměř nemožné vyrobit a provozovat.

Zdroj: Shutterstock

GKP kódy: kvantový „Rosettský kámen“

Zlom přichází s takzvanými Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) kódy. Tyto kódy umožňují ukládat informace do jemných vibrací jednoho jediného atomu a převádějí je do diskrétních „digitálních“ stavů. Tento přístup přináší obrovskou výhodu – dokáže snížit počet fyzických qubitů potřebných pro provoz logických qubitů.

Ačkoliv byla teorie GKP známá už delší dobu, její praktická realizace byla nesmírně obtížná. Vibrace atomů je třeba řídit s extrémní přesností, protože sebemenší odchylka může vést ke ztrátě uložené informace. Právě to se nyní poprvé podařilo fyzikům z University of Sydney.

Experiment: kvantová logická brána uvnitř jediného atomu

Tým vedený Dr. Tingrei Tanem z Quantum Control Laboratory na University of Sydney použil ion ytterbia zachycený v tzv. Paulově pasti. Jedná se o speciální zařízení, které dokáže pomocí laserů udržet jeden nabitý atom „na místě“ a řídit jeho pohyb na úrovni kvantových stavů.

Pomocí propracovaného softwaru, vyvinutého spin-off firmou Q-CTRL, se podařilo vědcům poprvé manipulovat vibracemi atomu tak, aby vytvořili univerzální kvantovou logickou bránu. V praxi to znamená, že dokázali zapsat a propojit dva logické qubity uvnitř jediného atomu a následně je kvantově provázat (entanglovat).

„Naše experimenty představují první realizaci univerzální sady logických bran pro GKP qubity,“ uvedl Dr. Tan. „Díky přesné kontrole harmonických oscilací zachyceného iontu můžeme jednotlivé qubity nejen manipulovat, ale také je kvantově provazovat.“

Význam objevu: menší, efektivnější a blíže realitě

Tento průlom má zásadní dopady na budoucnost kvantových technologií. Vytvoření kvantové logické brány uvnitř jediného atomu znamená, že pro konstrukci výkonného kvantového počítače bude potřeba výrazně méně fyzických qubitů než doposud.

Navíc experiment dokazuje, že GKP kódy lze prakticky implementovat, čímž se otevírá cesta k dalšímu zefektivnění kvantových výpočtů. Pokud budou výsledky potvrzeny i dalšími týmy, mohla by se dramaticky urychlit výstavba univerzálních kvantových počítačů schopných řešit problémy, na které dnes nestačí ani nejvýkonnější superpočítače.

Budoucnost kvantových počítačů

Využití GKP kódů a minimalizace počtu qubitů může změnit celý obor. Kvantové počítače se tak stanou nejen výkonnějšími, ale i praktičtějšími. To by mohlo otevřít cestu k průlomům v oblastech, jako je vývoj nových léků, simulace složitých chemických reakcí, optimalizace logistických systémů nebo šifrování budoucnosti.

Ačkoliv jsme stále na začátku, výsledek výzkumu University of Sydney posouvá hranice možného. Zatímco ještě před pár lety se univerzální kvantové počítače zdály být vizí vzdálené budoucnosti, dnešní objev ukazuje, že realita může být mnohem blíž, než jsme si mysleli.