Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 12 – vyšlo 26. března, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Kvantové závody

Petr Kulhánek

Není pochyb o tom, že se elektronická revoluce, která tolik ovlivnila naše životy, dostala do další fáze – revoluce kvantové. Vznikají nejrůznější kvantové technologie, z nichž veřejnost pravděpodobně nejvíce zaujal prodej prvního kvantového počítačeKvantový 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. v roce 2017 společností IBM (AB 38/2017). Nejsou ale jen kvantové počítače. Máme kvantové gravimetry (AB 5/2015), kvantovou teleportaci (AB 33/2017), kvantové šifrování či jen zařízení využívající princip kvantové superpozice stavůSuperpozice 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., provázanostProvázaný 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. kvantových objektů nebo spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. elementárních částic. Kvantová zařízení budou pravděpodobně v budoucnosti propojena kvantovým internetem – obdobně jako jsou dnes klasické počítače spojené do klasické internetové sítě. Nedávno jsme referovali o propojení tří kvantových subjektů do jedné sítě (AB 25/2021). Závod mocností o ovládnutí kvantových technologií se rozhořívá. Dnes se stručně zaměříme na pokrok ve dvou oblastech: v kvantových počítačích a v kvantové telekomunikaci.

Profesor Pan Jianwei, vedoucí osobnost současného kvantového výzkumu v Číně.
Působí v Čínské vědecko-technologické univerzitě. Zdroj: USTC.

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.

Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů).

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.

Qubit – 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.

Kvantové počítače

Kvantové počítače jsou založené na kvantové logice a příliš se nepodobají tomu, co si pod počítačem představujeme dnes. Informace je uchovávána a zpracovávána paralelně v qubitech, jejichž hodnota se určí až při měření (viz AB 37/2017). První neohrabané qubity byly založeny na dvou stavech iontů rubidia či cesia držených v elektromagnetických pastech. Dnes se pro účely kvantových počítačů využívají nejčastěji qubity se dvěma stavy nelineárního oscilátoru založeného na Josephsonově supravodivém spojiJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.. Nevýhodou je nutnost udržování velmi nízké teploty čipu, výhodou je snadná manipulace s qubity za pomoci mikrovln. Qubity se ale také vytvářejí z vakancí v krystalické mříži pevné látky nebo ze dvou stavů fotonů.

Od dokončení vývoje a následného prodeje prvního kvantového počítače už uplynulo pět let. Byl jím stroj s padesáti provázanými qubity (viz AB 38/2017), jehož existenci oznámila společnost IBM v roce 2017. V roce 2019 vyvinul Google svůj kvantový počítač s procesorem Sycamore s 53 provázanými qubity a další počítače různých společností následovaly. Do vývoje kvantových počítačů výrazně zasáhla čínská skupina vědců pod vedením profesora Pana Jianweie. Jianwei prožil doktorská studia na Vídeňské univerzitě pod vedením Antona Zeilingera a získal tu nejlepší možnou „školu“. Zeilinger jako první testoval hranice mezi klasickým a kvantovým světem (viz AB 33/2009), prováděl experimenty s teleportací (například teleportoval fotony mezi Kanárskými ostrovy La Palma a Tenerife na vzdálenost 143 kilometrů, viz AB 33/2017) a je vůdčí osobností evropských kvantových technologií. Profesor Jianwei je v současnosti na Čínské vědecko-technologické univerzitě, která zastřešuje kvantový výzkum různých pracovišť, a pod jeho vedením se na výzkumu podílí pět desítek vědců. V roce 2020 zkonstruovali experimentální počítač s qubity založenými na dvou stavech fotonů. Šlo ale jen o experiment, jejich počítač s názvem Jiuzhang nebyl programovatelný, nicméně tým demonstroval schopnost stroje řešit kvantové úlohy, které nejsou řešitelné klasickými počítači. Tento první „fotonový stroj“ byl zprovozněn v prosinci 2020, pracoval se 113 fotony a jeho výpočetní výkon byl stonásobně vyšší než u počítače společnosti Google s procesorem Sycamore a prostor stavů byl dokonce deset miliardkrát větší. Název Jiuzhang připomíná tradiční čínskou knihu o matematice Jiuzhang Suanshu (Devět kapitol o matematickém umění).

Hlavní trhák ale přišel o půl roku později. V polovině roku 2021 čínská skupina dokončila stavbu počítače Zuchongzhi. Název připomíná čínského matematika a astronoma Zu Chongzhiho z éry dynastií Liou Sung a Jižní Čchi. Procesor je založen na dvou kvantových stavech nelineárních oscilací Josephsonova spoje a obsahuje 66 qubitů ve dvourozměrném poli s jedenácti řadami a šesti sloupci. Nutné je tedy opět chlazení, neboť jde o qubity potřebující ke své existenci supravodivost. Provedený testovací výpočet využil jen 56 qubitů a týkal se vzorkování náhodných kvantových obvodů. Výpočet trval 1,5 hodiny. Současný největší klasický superpočítač by obdobnou úlohu řešil přibližně osm let. Je zjevné, že éra kvantových výpočtů právě začíná.

Procesor Sycamore společnosti Google byl představen v roce 2019.
Obsahuje 53 qubitů. Zdroj: Erik Lucero, Google.

Čínský fotonový stroj Jiuzhang 2.0 z roku 2020. Zdroj: USTC.

Čínský procesor Zuchongzhi s 66 qubity z roku 2021. Zdroj: USTC.

Kvantová telekomunikace

Čína také zkonstruovala první družici věnovanou kvantovým experimentům. Její oficiální název je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite), většinou je ale známa pod jménem MiciusMicius – čínská družice pro kvantové technologie, která byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Oficiální název družice je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite). V červenci 2017 se podařila kvantová teleportace fotonů na vzdálenost 1 400 kilometrů. Téhož roku se uskutečnila distribuce kvantového klíče šifrované zprávy na vzdálenost 7 500 kilometrů. Alternativní název Micius je vytvořen ze jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem., které získala podle jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem. Družice Micius byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Na prováděných experimentech má opět lví podíl profesor Pan Jianwei. Čínští vědci úspěšně teleportovali fotony mezi pozemní stanicí a družicí Micius, maximální vzdálenost při experimentech byla 1 400 kilometrů. Úspěšně bylo provedeno 900 teleportací.

Hlavním cílem bylo ale uskutečnění kvantově šifrovaného spojení. To se podařilo v roce 2017. Už dříve ukázal tým profesora Pana Jianweie, že kvantový klíč lze zakódovat do polarizačních stavů řetězce fotonů. Takový řetězec byl nejprve vyslán z družice Micius obíhající 500 km nad povrchem do pozemní stanice v blízkosti Pekingu. Klíč se poté podařilo uchovat na družici po dobu dvou hodin, a pak ho poslat na další pozemní stanici v severovýchodní Číně. Obě stanice od sebe byly vzdálené 2 500 kilometrů. Šlo o první distribuci kvantového klíče pomocí družice. V jiném experimentu se podařilo kvantový klíč stáhnout z družice Micius také Antonu Zeilngerovi do pozemní stanice v blízkosti Vídně.

Po těchto přípravných pracích nastal ostrý experiment s kvantově šifrovanou komunikací mezi Pekingem a Vídní. Dne 27. září 2017 poslala družice Micius kvantový klíč nejprve do pozemní stanice u Vídně. Poté zopakovala stejný proces s druhým klíčem a pekingskou pozemní stanicí. Na družici byly následně oba klíče zkombinovány a výsledek zaslán do obou pozemních stanic. Každá stanice tak měla vlastní klíč a zkombinovaný klíč. Na základě obou těchto klíčů bylo možné uskutečnit plně šifrovaný kvantový rozhovor mezi Pekingem a Vídní. A kdože spolu hovořil? Byli to prezident Rakouské akademie věd Anton Zeilinger a jeho čínský protějšek, prezident Čínské akademie věd Chunli Bai. Kvantový klíč byl distribuován na vzdálenost 7 500 kilometrů! Obě místa nebyla zvolena náhodně. Peking je hlavním městem Číny a ve Vídni získal profesor Pan Jianwei doktorát, právě pod vedením Antona Zeilingera. Význam experimentu je pro kvantovou kryptografii klíčový a o jeho zopakování se pokouší řada zemí světa.

Družice Micius ale uskutečnila celou řadu neméně zajímavých experimentů. V roce 2020 například ověřovala Bellovy nerovnosti (umožňují vyloučit existenci skrytých parametrů v kvantové teorii) na vzdálenosti 1 200 kilometrů. Čína uvažuje o vyslání dalších kvantových družic, které by umožnily kolem roku 2030 vytvořit celoplanetární kvantovou síť.

První kvantová družice, čínský Micius neboli QUESS

První kvantová družice, čínský MiciusMicius – čínská družice pro kvantové technologie, která byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Oficiální název družice je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite). V červenci 2017 se podařila kvantová teleportace fotonů na vzdálenost 1 400 kilometrů. Téhož roku se uskutečnila distribuce kvantového klíče šifrované zprávy na vzdálenost 7 500 kilometrů. Alternativní název Micius je vytvořen ze jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem. neboli QUESS.Hlavními cíly jsou: kvantová teleportace, kvantové šifrování zpráv, kvantová telekomunikace a testy Bellových nerovností. Zdroj: China News.

Kvantové počítače a kvantová telekomunikace jsou vlajkovými loděmi dnešních kvantových technologií. A v obou disciplínách si současná Čína, jejíž systém vědy je založen na jiných zásadách než v euroamerické kultuře, vede na výbornou. Občas se zdá, že náš zkostnatělý systém tabulkové vědy, založené na obskurních hodnotících kritériích a ukazatelích, poněkud ztrácí dech. Nicméně závod o ovládnutí vesmírných kvantových technologií probíhá na mnoha místech světa. Americká NASA v roce 2018 založila Národní vesmírnou kvantovou laboratoř (National Space Quantum Laboratory) a hodlá uskutečnit kvantově zabezpečený přenos zpráv za pomoci laserů instalovaných na Mezinárodní kosmické stanici. V Evropě je řada institucí majících v popisu práce kvantové technologie, jmenujme alespoň Alianci pro kvantový internet (Quantum Internet Alliance) a nizozemskou společnost QuTech. Zajímavé jsou bilaterální projekty: Velká Británie se snaží o vypuštění společné kvantové družice se Singapurskou republikou a Japonsko se o totéž pokouší s Indií. Cíl je jasný – uskutečnit obdobnou kvantově šifrovanou komunikaci mezi dvěma odlehlými místy na Zemi, jako se to podařilo Číňanům. Pomyslný závod o dobytí vesmíru kvantovými technologiemi má tedy v tuto chvíli více favoritů. Konkrétními činy se ale zatím do vesmírné knihy kvantového poznání výrazněji zapsali jen Číňané.

Odkazy