Článek
Kvantové počítače jsou často prezentovány jako technologie budoucnosti, která by mohla vyřešit problémy, na které jsou i ty nejvýkonnější superpočítače krátké – od objevování nových léků a materiálů po prolomení současné kryptografie. Než se tak stane, čelí výzkumníci po celém světě jedné zásadní překážce: chybám.
Kvantové bity, neboli qubity, jsou nesmírně křehké. Jakákoli, byť nepatrná interakce s okolím (proces zvaný dekoherence) může způsobit, že qubit ztratí svůj kvantový stav a výpočet se pokazí. Proto je pro stavbu použitelných kvantových počítačů klíčová oprava chyb – schopnost detekovat a korigovat chyby dříve, než zničí výsledek výpočtu. Tradiční metody opravy chyb jsou náročné na zdroje (vyžadují mnoho dalších qubitů), a vědci proto hledají i chytřejší přístupy, včetně takových, které mají vestavěnou ochranu proti určitým typům chyb.
Jedním z fascinujících směrů výzkumu jsou qubity inspirované slavným myšlenkovým experimentem Erwina Schrödingera s kočkou, která je současně živá i mrtvá. Tyto tzv. kočičí qubity (cat qubits) kódují kvantové stavy 0 a 1 do speciálních, odlišných, ale zároveň se překrývajících stavů kvantového harmonického oscilátoru – jakési superpozice dvou „klasicky“ odlišných stavů, stejně jako je Schrödingerova kočka v superpozici živé a mrtvé. Tato architektura slibuje inherentní ochranu proti chybám.
Kočičí qubity: Vestavěná ochrana, ale s Achillovou patou
Výhodou kočičích qubitů je, že jsou ze své podstaty odolné vůči jednomu z hlavních typů chyb: chybám bit-flip (kde by se stav 0 náhodně změnil na 1 nebo naopak). Tato odolnost pramení z toho, jak jsou stavy kódovány – přechod mezi nimi by vyžadoval velký energetický skok, který je nepravděpodobné, že by nastal spontánně kvůli okolnímu šumu.
Nicméně, i kočičí qubity mají svou slabinu. Jsou stále náchylné k jinému zásadnímu typu chyby: chybám fáze (phase-flip errors). Tyto chyby ovlivňují kvantovou „vlnu“ qubitu a mohou zničit výpočet stejně efektivně jako chyby bit-flip. Náchylnost k chybám fáze byla hlavní překážkou v tom, aby se kočičí qubity staly skutečně spolehlivým základem pro fault-tolerantní kvantové počítače.
Průlom z Yale: 160krát spolehlivější díky potlačení chyb fáze
A právě teď přišel tým vědců z Yale University s objevem, který by mohl tuto situaci zásadně změnit. Výzkumníci pod vedením Taekwana Kwaka a profesora Michela Devoreta vyvinuli novou techniku, která dokázala dramaticky snížit míru výskytu chyb fáze v kočičích qubitech.
Použitím speciální metody, kterou v článku nazývají „two-photon driven dissipation“ (pohon dvousměrnou disipací, což je technický pojem popisující způsob, jakým manipulují se stavem qubitu a jeho interakcí s okolím), dokázali vědci stabilizovat stavy kočičích qubitů a selektivně potlačit dráhu, která vede k chybám fáze.
Výsledek je ohromující: podařilo se jim snížit míru chyb fáze faktorem 160! To znamená, že kočičí qubity, s touto novou metodou, jsou nyní 160krát spolehlivější (konkrétně z hlediska odolnosti vůči chybám fáze) než předchozí implementace nebo standardní metody, které by se snažily korigovat tyto chyby dodatečně.
Proč je toto zjištění tak důležité?
Tento průlom má zásadní význam pro vývoj kvantových počítačů:
- Velký krok k Fault Tolerance: Dramatické snížení chybovosti je naprosto klíčové pro stavbu fault-tolerantních kvantových počítačů – strojů, které dokážou provádět dlouhé a složité výpočty spolehlivě i navzdory nedokonalosti jednotlivých qubitů. Umožní provádět mnohem delší sekvence kvantových operací, aniž by se výsledek rozpadl.
- Potvrzení potenciálu kočičích qubitů: Výsledek silně podporuje myšlenku, že kočičí qubity jsou velmi slibnou architekturou pro stavbu kvantových počítačů odolných vůči chybám, kombinující inherentní ochranu s nyní výrazně vylepšenou spolehlivostí v oblasti fázových chyb.
- Nová technika pro potlačení chyb: Metoda vyvinutá vědci z Yale by mohla být potenciálně využitelná i pro snížení chybovosti v jiných typech supravodivých qubitů.
- Umožnění složitějších algoritmů: Spolehlivější qubity znamenají, že vědci a inženýři mohou začít navrhovat a spouštět složitější kvantové algoritmy, které se blíží těm, jež by mohly mít praktické využití.
Závěr: Budoucnost kvantových počítačů je o krok blíž
Výzkum z Yale University, který dramaticky zlepšil spolehlivost kočičích qubitů snížením jejich náchylnosti k chybám fáze faktorem 160, je významným vědeckým a inženýrským úspěchem. Ukazuje, že chytré přístupy k návrhu kvantového hardwaru a manipulaci s kvantovými stavy mohou vést k zásadním průlomům v boji proti chybám – hlavní překážce na cestě k funkčním kvantovým počítačům.
Kočičí qubity, inspirované paradoxem Schrödingerovy kočky, se tak díky tomuto objevu stávají ještě slibnějším kandidátem pro stavbu budoucích kvantových strojů odolných vůči chybám. Je to další důkaz toho, že kvantový svět skrývá elegantní řešení pro ty nejnáročnější technologické výzvy, a že příchod éry užitečných kvantových výpočtů se díky takovýmto průlomům neustále urychluje.
