Optický kvantový počítačový čip vykonal první matematický výpočet

Výzkumníci z Univerzity v Bristolu ve Velké Británii vytvořili prototyp optického kvantového počítačového čipu a vůbec poprvé na něm spustili matematický výpočet. Zařízení se skládá z malých křemenových vlnovodů na křemíkovém čipu a implementuje funkci Shorova algoritmu pro kalkulaci prvočísel. Matematik Peter Shor roku 1994 predikoval, že oproti dnešním počítačů bude na kvantových zařízeních prvočíselný rozklad exponenciálně rychlejší.


Kvantový fotonový experiment, autorem fotky je Jonatham Matthews.

Zatímco u klasického počítače ukládáme a pracujeme pouze s bity, tedy dvěma stavy, u kvantového zařízení mohou být částice zvané qbuity i v „superpozici“ dvou a více stavů zároveň. Pro n q-bitů platí 2^n stavů, tudíž s množstvím q-bitů roste počet možných kombinací exponenciálně. Jako q-bity lze využít fotony, jelikož mohou cestovat přes optické kabely, či vzduchem, aniž by ztratily svou kvantovou povahu (to je možné, jelikož samostatné fotony normálně neinteragují s dalšími, u vzdáleností nad 15 km lze použít např. kvantové opakovače). V roce 2003 Jeremy O'Brien, s kolegy z Univerzity v Queenslandu v Austrálii, vytvořil jednofotonové hradlo zvané CNOT, které má dva vstupy – cílový a kontrolní – a je pokládáno za fundamentální kámen kvantových počítačů. Bohužel hradlo vytvořil pomocí konvenčních optických součástí, jako jsou zrcadla a rozdělovače paprsků a zabírala tak celé laboratorní prostory. Minulý rok se ovšem O'Brienovi podařilo vytvořit stejné hradlo pouze na milimetru čtverečním za použití párovaných vlnovodů – mikronových kanálů z průhledného křemene na křemíkovém substrátu.


Generace a detekce samostatně izolovaných fotonů, autorem fotky je Carmel King.

Samotný optický kvantový čip tyto brány používá a funguje následovně - na vstupu vezme čtyři fotony, které dále cestují přes vlnovody a struktury zvané Hadamardovy brány a připraví každý q-bit v superpozici 0 a 1, tak, že celý stav je superpozicí všech čtyř-bitových vstupů reprezentujících číslo 15. Výpočet je poté proveden dvěma dalšími, CNOT bránami, které vytvářejí vysoce propletený výstup stavu*. Měřením výstupů prvních dvou q-bitů získáme výsledky výpočtu: 3 a 5. Zpráva je otištěna v aktuálním vydání magazínu Science.

Doktorandský student Alberto Politi, který společně s kolegou Jonathanem Matthewsem vykonal experiment pod vedením profesora O'Briena sdělil: "Tento úkol by mohl mnohem rychleji vypočítat jakýkoliv školák, ale jedná se o opravdu důležitou demonstraci důkazu principu."
„I přes nedávný pokrok, možnost vykonat byť malý kvantový algoritmus chyběla,“ řekl Matthews. „Posledních pár let se výzkumníci z Centra pro kvantovou fotoniku podíleli na vyrobení plně funkčních kvantových obvodů na čipu, aby vyřešili tento problém,“ doplnil O'Brien.

„Jedná se o velice zajímavý a důležitý výsledek,“ nezávisle komentuje experiment Boris Blinov z Univerzity ve Washingtonu. „Integrace bude klíčovou součástí jakékoliv úspěšné kvantové informační technologie a zde jsme svědky velkého kroku vpřed integrováním komponent lineárně-optického kvantového procesoru... Kvantová hradla jsou doslova postavena a jediné, co stačí provést, je přidat q-bity. Výrobní proces hradel se zdá být snadno rozšiřitelný i na mnohem větší plochy obvodů pro složitější výpočetní úlohy (než je hledání prvočíselného rozkladu čísla 15!).“ Pouze „přidat q-bity“ ovšem nebude tak jednoduché, jak se může zdát, zdůrazňuje Blinov, protože je zapotřebí spolehlivého zdroje samostatných fotonů, a toho je stále těžké dosáhnout. Potenciální řešení problému může být kombinace lineárně-optických kvantových procesorů s q-bity jinými než jsou fotony. Budoucnost této technologie vidí Blinov ve využití zachycených iontů, či kvantových teček.

Na kvantových počítačích bude například dnes velice rozšířené RSA šifrování prolomitelné v čase, kterého se dočká i bežný smrtelník. Naopak se pravděpodobně vystřídá za kvantové šifrování, které může sloužit k výrobě a zároveň i distribuci dokonale náhodného klíče, jež s pomocí například Vernamovy šifry zaručí nepodmíněnou bezpečnost.

Zdroje: wikipedia - Qbit, physorg.com, physicsworld.com, zamandayolculuk.com, newscientist.com

*tento překlad není pravým překladem, neboť větu sémanticky nechápu

Po dlouhé době jsem si řekl, že zpestřím vstupem trochu fórum, ale vypadá to, že ač jsem se snažil sebevíce, kvantové počítače by si zasloužily mnohem důslednější a důkladnější analýzu vzhledem k této zprávě. Nicméně rád si vyslechnu připomínky, chybami se člověk učí a já se rád přiučím .

P.S. Tady se to ale panečku změnilo! Cya.