Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 38 – vyšlo 25. listopadu, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Kvantový počítač IBM Q

Petr Kulhánek

V bulletinu AB 37 jsme si popsali základní princip kvantového počítače. Srdcem je objekt mikrosvěta v superpoziciSuperpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|² ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|² mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. dvou nebo dokonce více stavů, který nazýváme qubitQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci.. Takovou superpozici je možné navodit laserovým nebo mikrovlnným impulzem. Qubit nebývá v procesoru sám, ale je jich větší množství a tyto qubity jsou kvantově provázanéProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech., což znamená, že byly (opět nějakým laserovým nebo mikrovlnným impulzem) přivedeny do stavu, v němž se při měření na jednom qubitu zjistí i některé vlastnosti ostatních qubitů. Informace o jednotlivých možných stavech provázané soustavy qubitů je nesena paralelně a jednotlivé amplitudy můžeme ovlivňovat logickými operacemi (realizují se magnetickým polem nebo elektromagnetickými impulzy). Kvantovou interferencíKvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností. dojde k zesílení některých amplitud a jako výsledek výpočtu proto při finálním měření zjistíme určitý preferovaný stav soustavy qubitů. Zjednodušeně tedy můžeme říci, že kvantový počítač je postaven na třech základních kvantových principech: superpozici, provázanosti a interferenci. V dnešním bulletinu se budeme zabývat současným stavem, který je více než slibný. V první polovině roku 2017 oznámily hned tři společnosti, že mají připraveny kvantové počítače a do roka jsou schopny zahájit komerční prodej. Šlo o D Wave Systems, IBM a Intel. V současnosti má D-Wave Systems k dispozici procesor s 2048 qubity, IBM a Intel s 20 qubity. Situace ale není tak jednoznačná. Procesor vyvíjený společností D-Wave Systems není ve skutečnosti základem univerzálního kvantového počítače, ale stroje určeného pro jeden typ výpočtu, tzv. adiabatického ochlazování, při němž se hledá optimální řešení pro úlohu s mnoha vstupy. Jde tedy o kvantový optimalizér. Navíc společnost IBM v několika článcích dokazovala, že nejde o kvantový počítač, neboť nestačí zvyšovat počet qubitů, ale je třeba zajistit i jejich malou chybovost a vzájemnou provázanost, což procesor společnosti D-Wave Systems nesplňuje a při výpočtu postupuje spíše jako klasický počítač. Nepochybně zde svou roli hraje konkurenční boj mezi oběma společnostmi, ale jednoznačně jsou prvním krokem k univerzálnímu programovatelnému kvantovému počítači procesory vyvíjené společnostmi IBM a Intel. V dnešním bulletinu se zaměříme na technologii společnosti IBM.

Velké množství qubitů zdaleka neznamená výkonnější kvantový počítač. Zdroj: IBM.

Kvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.

Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|² ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|² mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná.

Provázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech.

Kvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností.

Qubit založený na Jospehsonově spoji

První pokusy s qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. využívaly atomy držené v důmyslných elektromagnetických pastích, které byly chlazené na teplotu blízkou absolutní nule. Dnešní technologie přípravy qubitů je poněkud odlišná. Společnost IBM využívá jako qubit supravodivý Josephsonův spoj. Jde o dva supravodiče oddělené tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páryCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s bosonovými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader. elektronů mohly tunelovat skrze izolant. Rozhraním teče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Josephsonův spoj se už delší dobu používá jako senzor magnetického pole SQUIDSQUID – citlivý magnetometr, kterým se měří velmi slabá magnetická pole za pomoci supravodivé smyčky obsahující Josephsonův spoj. Zařízením lze změřit i extrémně slabá pole až do 5×10^–18T. Název zařízení je zkratkou z anglického „Superconducting Quantum Interference Device“. Samotné slovo „squid“ znamená v češtině krakatice (hlavonožec žijící v oceánech).. Jak ho lze ale využít jako qubit, který potřebuje být v superpozici dvou stavů? Proud tekoucí Josephsonovým spojem lze vyjádřit jako I = I₀ sin δ, kde ? je rozdíl fází komplexních vlnových funkcí popisujících supravodivé stavy na obou stranách spoje. Kvantová teorie vede na rovnici pro veličinu ?, která připomíná pohybovou rovnici částice v potenciálu podobném valše, na které kdysi hospodyňky praly prádlo (byl to takový zvlněný plech, o který se prádlo doslova drhlo ve škopku s vodou). Hodnota fázového posunu ? se snaží zaujmout buď nejnižší minimum potenciálu valchy, nebo první excitovaný stav. Vše připomíná kvazičástici, která může nabývat dvou stavů. A právě tato kvazičástice je qubitem (někdy se mu říká fázový qubit), pokud ji připravíme v superpozici základního a prvního excitovaného stavu. K tomu slouží mikrovlnný rezonátor lokalizovaný v blízkosti Josephsonova spoje. Celý obvod se chová silně nelineárně (indukčnost je výrazně nelineární funkcí rozdílu fází ?). Dobře chlazený Josephsonův spoj má malou disipaci energie a umožňuje dlouhodobé provázání kvantových stavů.

Potenciál valchy pro fázový posun δ.

Qubity společnosti IBM založené na supravodivém Josphsonově spoji. Zdroj: IBM.

IBM Q

V první polovině roku 2017 společnost IBM vyvinula prototyp komerčního kvantového počítače pod názvem IBM Q se 17 qubity. Ve vývoji je dvacetiqubitový počítač a v plánu pro nejbližší roky je i padesátiqubitová verze. Procesor je chlazen na teplotu 15 milikelvinů, což je teplota nižší, než je v prázdném prostoru ve vesmíru (ta je dána teplotou reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí)., což je 2,73 kelvinu). Hlavním prvkem určujícím velikost počítače je kryogenní systém. Fotografie stroje IBM Q připomínají období prvních sálových počítačů ze sedmdesátých let dvacátého století. Tenkrát se k výpočtům využíval náboj elektronu, dnes jde o jeho spin. Společnost IBM učinila zajímavý marketingový tah. Pod názvem Quantum Experience umožňuje registrovaným uživatelům zdarma vzdálený přístup k tomuto počítači. Na webových stránkách jsou jak základní, tak pokročilé návody, jak uskutečnit jednotlivé kvantové operace (uživatelské rozhraní jich umožňuje deset). Aplikační rozhraní je založeno na jazyku Python a lze se s ním připojit přes cloud IBM buď k pětiqubitovému nebo k šestnáctiqubitovému procesoru. Počet registrovaných uživatelů již přesáhl 60 000. Jde o fascinující možnost vyzkoušet si kvantové výpočty na reálném hardwaru, nikoli na simulátoru, kterých je celá řada (jeden z nich například zahrnula společnost Microsoft do svého Visual Studia). Vzhledem k tomu, že první dva kvantové počítače společnosti IBM zakoupila americká NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a počítačový gigant Google, lze konstatovat, že éra kvantových počítačů byla právě odstartována. Není bez zajímavosti, že letošní Diracova medaile (druhé nejvyšší ocenění za fyziku po Nobelově ceněNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela.) byla udělena zakladateli kvantových informačních technologií Charlesu Bennettovi, průkopníku kvantových počítačů Davidu Deutschemu a objeviteli kvantového algoritmu pro faktorizaci Peteru Shorovi.

Pohled do nitra počítače IBM Q. Zdroj: IBM.

Uživatelské rozhraní pětiqubitové verze Quantum Experience. V dolním řádku je
seznam deseti kvantových operací, které lze na qubitech uskutečnit. Zdroj: IBM.

Odkazy