Optici vymýšlejí součásti pro budoucí kvantové počítače

Komponenty přínosné pro kvantový přenos dat a kvantové počítače hledají odborníci ze Společné laboratoře optiky přírodovědecké fakulty. K jejich nejnovějším výzkumům patří návrh hradla, tedy obvodu pro případné kvantové procesory, či univerzální kvantový kloner. Výsledky publikovali nedávno v Physical Review Letters či Physical Review A.

Zastřešujícím tématem výzkumu je oblast nazývaná kvantové zpracování informace. „Protože jsme optické pracoviště, věnujeme se využití optiky neboli fotonů. V laboratoři jsme schopni připravit páry fotonů, které vzniknou v jednu chvíli a jsou velmi dobře časově synchronizované. Protože se jedná o delikátní částice, objevují se u nich již kvantové vlastnosti přírody, tedy jevy, které například nelze pozorovat v makrosvětě,“ uvedl Karel Lemr ze Společné laboratoře optiky.

Vlastností fotonů, tedy jakýchsi balíčků energie světla, využívají vědci pro přenos kvantové informace. Klasická informace je uložena v podobě bitů, tedy posloupnosti nul a jedniček. Kvantová informace má také něco jako nulu a jedničku, ale zároveň i jakoukoliv jejich kombinaci. Hovoříme proto o kvantovém bitu, qubitu.

„V kvantovém počítači je v principu možné naráz zpracovávat nulu i jedničku, což znamená výrazné zrychlení výpočtů. Teoretický výzkum v této oblasti předstihl velmi výrazně ten experimentální. Známe již celou řadu možných aplikací a výhod, ale u mnohých z nich nejsme schopni se dopracovat k experimentální realizaci, protože by byla velmi složitá,“ uvedl Lemr.

Spolu se svými kolegy proto hledá vhodné konfigurace optických komponentů, které by se mohly stát stavebními kameny budoucích kvantových počítačů nebo kvantových komunikačních sítí.

Hradlo – obvod případného kvantového počítače

Jedním z hlavních témat laboratoře je elementární hradlo v kvantové podobě, tedy obvod, který tvoří kvantový procesor. Obdobná hradla již v minulosti sice byla vymyšlena, obvod olomouckých badatelů je ale unikátní v tom, že v něm lze vůbec poprvé ladit sílu interakce mezi fotony.

„Díky tomu umí hradlo pracovat v některých případech efektivněji. V laboratoři jsme sestavili jeho experimentální realizaci a před dvěma lety jsme vše publikovali v odborném tisku. Od té doby hledáme jeho možné využití a zkoumáme jeho vlastnosti,“ vysvětlil Lemr. 

V pátrání po dalších možných aplikacích mohou výzkumníci pokračovat i díky tříletému projektu Grantové agentury ČR, který začal letos.

Kloner zjistí i možný odposlech v kvantové kryptografii

Další oblastí zájmu je oblast kvantové komunikace. Kvantové komunikační sítě totiž potřebují speciální zařízení a právě v tom mohou zdejší optici pomoci. Loni přišli například s univerzálním kvantovým klonerem, který je schopen velmi dobře duplikovat mnohé kvantové stavy, což je tak trochu proti přírodě. V kvantovém světě totiž není perfektní duplicita možná, na tomto principu ostatně staví kvantová kryptografie.

„Vytvořili jsme klonovací zařízení, které je vhodné pro širokou škálu aplikací. Danou skupinu kvantových stavů kopíruje nejlépe, jak mu to příroda umožní. Je účelově nastaveno tak, aby odposlouchávalo kvantovou kryptografii, což je bezpečný přenos informací pomocí kvantových stavů. Zjišťujeme vlastně i to, jestli tento přenos nejde nabourat a odposlouchávat. K tomu je kloner ideální, určuje meze bezpečnosti kvantové kryptografie“ uvedl spoluautor zařízení Antonín Černoch. Podle něj se kloner snaží bezpečné kanály nabourat a odhalovat jejich slabiny, což mohou být užitečné informace pro uživatele. Článek o této problematice vyjde vědcům v nejbližších dnech ve Physical Review Letters.

Nejčerstvějším výsledkem badatelů je i teoretický návrh zařízení, jehož cílem je odhalit foton na kvantové lince, aniž by se poškodil kvantový stav jím nesený. Před časem práci otiskl časopis Physical Review A. Do Optics Communications zase pronikli zdejší vědci s návrhem kvantového routeru (směrovače), který umí foton s nepoškozenou informací rozeslat k více příjemcům, což je v kvantové fyzice revoluční počin. 

„Podobná zařízení navrhly i jiné skupiny badatelů, ale buď nebyly na bázi fotonů, ale například atomů, nebo nesplňovaly veškeré požadavky na přenos kvantové informace na více výstupů,“ doplnil Černoch. Podle něj se zatím ale jedná jen o teoretické návrhy. S rozvojem kvantových komunikačních sítí mohou ale v budoucnu hrát obdobné routery klíčovou roli.

I kvantový přenos informací v komerční sféře však teprve začíná. Využívá se zatím jen pro kvantovou kryptografii například v bankách. Hudbou budoucnosti rovněž zůstává nasazení kvantových počítačů v každodenním životě.