Optici našli způsob jak zlepšit a urychlit kvantové zpracování dat

Olomoučtí vědci umí až desetkrát zvýšit účinnost zařízení pro kvantové zpracování informace, při němž data přenášejí fotony, tedy jakési balíčky energie světla. Umožní jim to speciální kvantové hradlo, což je obvod pro kvantové procesory.

Odborníci z přírodovědecké fakulty vyvinuli hradlo před čtyřmi lety, nyní ale našli jeho další klíčové využití. Navržené kvantové hradlo umožňuje provádět transformaci kvantového stavu jednoho fotonu v závislosti na tom, jaký je stav fotonu druhého. Oproti ostatním obvodům je unikátní, neboť jako první na světě dokázalo účinně ladit sílu interakce mezi dvěma fotony.

„Tato skutečnost nám otevřela nové dimenze v možnostech využití, jimž se několik let věnujeme. V článku ukazujeme, že se naším hradlem dají velmi zjednodušit a zefektivnit obvody pro kvantové počítače. Může to dramatickým způsobem vylepšit účinnost takového zařízení. Recenzent dokonce hovořil o drastickém zvýšení účinku kvantových počítačů,“ uvedl Karel Lemr ze Společné laboratoře optiky, který za svůj výzkum získal v roce 2012 Cenu Siemens.

Práce je výsledkem několikaletého výzkumu odborníků ze Společné laboratoře optiky – společného pracoviště přírodovědecké fakulty jejího Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Na výzkumu se podíleli také vědci z katedry optiky a z Univerzity Adama Mickiewicze v Poznani. Objev uveřejnil prestižní americký časopis Physical Review Letters.

Až desetkrát vyšší účinnost

Podle vědců je nalezená aplikace průlomová a zvýší účinnost kvantového počítání v lineární optice čili s použitím světla. „Jedno hradlo nahradí dvě předchozí. Bez tohoto návrhu by určité výpočty trvaly třeba rok. S tímhle na to postačí několik dnů, protože se dramaticky zvýší úspěšnost celého obvodu pro kvantové počítání, a to až desetkrát. To je hlavní význam práce,“ zdůraznil Lemr.

Největší roli bude podle odborníků hradlo hrát zřejmě v kvantových komunikačních sítích. Světlo je totiž pro „kvantový internet“ zajímavým médiem. Vyslat foton lze jednoduše klasickým optickým vláknem nebo volným prostorem.

„Elementární kvantové komunikační sítě již existují, zatím jsou ale velmi jednoduché – s jedním odesílatelem a jedním příjemcem a bez aktivních komunikačních prvků. Jsou i komerčně dostupné pro kvantovou kryptografii, kterou využívají například banky. Systémy ale ještě nejsou plnohodnotnou kvantovou analogií klasického internetu,“ řekl Antonín Černoch ze Společné laboratoře optiky.

Využití pro „kvantový internet“?

Olomoucké hradlo by mohlo plnit výraznou roli právě v aktivních prvcích kvantových komunikačních sítí, tedy jakýchsi obdobách dnes známých routerů či switchů (přepínačů).

„Při kvantové komunikaci jsou potřebné i uzly, kde bude informace částečně zpracována. Pokud by se v nich informace přenesla ze světla na pevnolátkový systém, nastávaly by velké ztráty a šumy. Lepší je, když se o to postará světlo, s nímž se velmi dobře pracuje,“ doplnil Černoch.

Kvantová zpracování dat a jejich přenos jsou podle vědců bezpečnější a představují v informačních technologiích významný krok vpřed.