Pohled na tzv. ředící kryogenní ledničku kvantového IBM Q počítače z roku 2017. Kvantová výpočetní jednotka se nachází v nejspodnější části. Kredit: Lars Plougmann, Flickr CC BY-SA 2.0

Když se mluví o rychlém internetu, v takové síti každý automaticky předpokládá propojovací kabely s optickými vlákny, ať již skleněnými, nebo plastovými. Ty vyžadují, aby se elektrický signál nesoucí digitální data z integrovaných obvodů před vstupem do optického vlákna transformoval na světelný. V přijímacím zařízení musí dojít k opačné konverzi například pomocí fotodiod nebo fototranzistorů, aby doručená data mohl počítač zpracovat a zobrazit.

Starší 40qubitový kvantový procesor Aspen-M společnosti Rigetti Computing doposud využívají kvantové cloudové počítače Amazonu i Microsoftu Kredit: Rigetti Computing

Jenže ve věštecké křišťálové kouli již zřetelně vidíme kvantové počítače. Navzájem propojené v síti, která umožní na dálku přenášet velice „křehká“ kvantová data. O kvantovém internetu již v roce 2008 psal Harry Jeffrey Kimble, profesor fyziky na Caltechu, Kalifornském technickém institutu (dostupný článek zde). V závěru mezi jiným píše: „Je jisté, že současný stav techniky je primitivní vzhledem k tomu, co je nutné pro robustní a škálovatelnou implementaci sofistikovaných síťových protokolů, ať už na krátké nebo dlouhé vzdálenosti.“

Přešlo 15 let. Deklarovaný výkon nových kvantových procesorů narůstá, do konce tohoto roku plánuje IBM dosáhnout důležitý milník a uvést 1 121quibitový procesor Condor. Loňský Osprey (Orlovec) je „jen“ 433quibitový. V letošním itineráři je i procesor nové generace, 133qubitový Heron (Volavka) s novou dvouqubitovou bránou, která umožňuje vyšší výkon. Je určen pro projektované modulární propojování několika procesorů navzájem. Společnost IBM se před asi dvěma týdny na summitu G7 v Hirošimě pochlubila velkorysým dlouhodobým plánem. Ve spolupráci s univerzitami v Tokiu a Chicagu zahájila 10letý projekt s rozpočtem 100 milionů dolarů, jehož cílem je vývoj kvantového superpočítače poháněného modulárním sto tisíc qubitovým systémem navzájem propojených kvantových procesorů (zde).

Konstrukční schéma čínského 66qubitového kvantového procesoru, který je součásti kvantové výpočetní jednotky superpočítače Zuchongzhi představeného před necelými dvěma lety. Letos byl rozšířen o dalších 110 qubitů, čímž jeho blízcí i vzdálení uživatelé získali extrémně výkonnou výpočetní platformu se 176 kvantovými bity. Kredit: University of Science and Technology of China

Lze tedy říci, že pokrok v oblasti kvantových počítačů chvátá mílovými kroky vpřed? Němčina má jedno půvabně kvantové slovíčko: jein (jain) – tedy něco jako superpozice všech možných odpovědí mezi ano a ne. Ano, co se týče samotných konceptů založených na prověřených, i když racionálně nepochopitelných kvantově mechanických principů. Zdokonalují se nejen stále výkonnější procesory, ale i software pro kvantové výpočty. To „spíše ne“ se týče širšího využití samotných kvantových počítačů. Jsou to velká, složitá a velmi nákladná zařízení nejen co se pořizovací ceny týče, ale i provozu a údržby. Zatím je vlastní jen několik málo velkých společností, jako jsou IBM, Microsoft, Google a AWS Braket (Amazon). A jak se dalo čekat, dobíhají Číňané. A tak nějak nenápadně i předbíhají. Poměrně čerstvá zpráva z China Daily oznamuje, že v poslední květnový den na Čínské univerzitě pro vědu a techniku otevřeli pro online využití kvantovou výpočetní platformu Zuchongzhi zmodernizovanou z původních 66 qubitů na současných 176. Název Zuchongzhi je anglickým přepisem jména Cu Čchung-č’, jenž patřilo významnému astronomu a matematiku, který podle našeho kalendáře žil v 2. polovině 5. století. S trpělivostí a vytrvalostí čínského učence prováděl velice přesná měření a výpočty, které mu umožnily předem určit několik zatmění Měsíce a Slunce a odhadnout hodnotu π s přesností, jež pak nebyla pokořena po dalších 900 let.

Inovovaný kvantový výpočetní systém Zuchongzhi je veřejnou platformou určenou pro vzdálené uživatele. Zdá se jeho 176 kvantových bitů málo vzhledem na deklarovaný výkon nových IBM kvantových procesorů? Jenom čip posetý samostatně ovladatelnými qubity však nestačí, potřebujete k němu vybudovat celý velký řídící systém s možností připojení běžných digitálních přístrojů. Mezi současné nejlepší poskytovatele cloudových služeb patří například Amazon Web Services, který loni oznámil připojení nového supravodivého kvantového procesoru o výkonu 80 qubitů (zde). Podobně i konkurenční Microsoft Azure využívá dva kvantové procesory – 80qubitový a 40qubitový (zde). IBM Procesor Condor si na své hardwarové hnízdo bude muset nějakou dobu asi počkat, nicméně síť IBM Quantum Network nabízí svým více než 450 tisícům uživatelům přístup k některému z vlastních 20 kvantových počítačů.

Přehledná tabulka elektromagnetického spektra. Kredit: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Za jistých podmínek tedy můžeme kvantové počítače využívat již nyní, ale jen jako vzdálení uživatelé. Nicméně představa, že je budeme i vlastnit, je pro „běžné smrtelníky“ nerealistická. A to ještě na velmi, velmi dlouhou dobu. Současný funkční kvantový počítač se ani tomu největšímu stolnímu komputeru zdaleka nepodobá. Jeho srdce tvoří velký válec s vakuovaným pláštěm, pod kterým se nachází něco, co připomíná obrovský lustr a také se prý lustrem přezdívá. Jen ho netvoří skleněná cingrlátka, nýbrž složitá soustava měděných trubek a drátů. Jde vlastně o speciální kryostat, tzv. ředící ledničku, v níž směs dvou stabilních izotopů helia podchlazuje supravodivý procesor na teplotu blízkou absolutní nule. Proto je vše chráněno vakuovaným obalem. Teplota jen několik setin Kelvinu je nevyhnutná jednak kvůli supravodivosti kovů, jakým je hliník nebo niob, z nichž jsou vytvořeny transmonové qubity uspořádané na křemíkovém substrátu kvantového čipu a jednak k potlačení nežádoucího okolního šumu, který může způsobit dekoherenci, destrukci kvantové provázanosti a ztrátu informace.

Loňská novinka od IBM – kvantový procesor IBM Osprey se 433 qubity. Letos ji má překonat 1 121qubitový Condor. Kredit: IBM

Supravodivý kvantový procesor pracuje v oblasti mikrovlnného záření s frekvencí povětšinou mezi 4 až 6 GHz, což v přibližném přepočtu na vlnovou délku je 7,5 cm až 5 cm. Jenže současnými osvědčenými optickými vlákny, která propojují náš digitální svět, putují infračervené fotony s vlnovou délkou o čtyři řády kratší – mezi jednou a dvěma deseti tisícinami centimetru (1 260 až 1 675 nm). Typická telekomunikační vlnová délka je 1550 nm, při níž je vzhledem na fyzikální vlastnosti optických vláken kombinace negativních účinků absorpce a rozptylu nejmenší. Pro dlouhé přenosové vzdálenosti je to klíčový faktor.

Koncepční zobrazení víceprocesorové kvantové výpočetní jednotky 100 000qubitového superpočítače IBM Quantum, který by měl mít premiéru za 10 let. Kredit: IBM

Jak ale „infračervenými“ kabely navzájem propojit vzdálené kvantové počítače s mikrovlnnými supravodivými kvantovými procesory? Krůček k řešení tohoto problému, a tedy i k realizaci představy o koherentní optické kvantové síti – o kvantovém internetu – učinili rakouští vědci z Institutu vědy a techniky v Klosterneuburgu a Centra pro kvantovou vědu a technologii Technické univerzity ve Vídni. Demonstrovali způsob, jak vytvořit pár kvantově provázaných fotonů, z nichž jeden je mikrovlnný a druhý infračervený. Za zmínku stojí, že právě Rakousko se může pochlubit Nobelovou cenou za fyziku udělenou loni Antonu Zeilingerovi, jehož tým na Univerzitě v Innsbrucku v roce 1997 experimentálně prokázal přenos kvantové informace pomocí kvantové teleportace.

Tým vedený Johannesem Finkem výkonným laserem emitujícím koherentní „telekomunikační“ infračervené záření s vlnovou délkou 1 550 nm budil speciální optický rezonátor z niobičnanu lithného (LiNbO₃), umělé, v přírodě se nevyskytující sloučeniny. Tato asi milimetr velká elektronická součástka byla součástí jiného většího mikrovlnného rezonátoru. Téměř všechno laserové světlo se z tohoto zařízení vrátilo zpět v nezměněné podobě a bylo odfiltrováno. Nicméně průměrně jeden foton v každém kratičkém, 600 ns trvajícím pulzu se zachytil a rozdělil na dva fotony – jeden mikrovlnný, jenž se s vlnovou délkou asi 3 cm již blíží energiím supravodivých qubitů, a druhý infračervený foton s vlnovou délkou jen o málo větší, než měl původní foton emitovaný laserem. A právě toto druhé kvantově provázané fotonové dvojče má možnost optickým vláknem přenášet informace s nízkými ztrátami a interagovat s jiným, shodně připraveným přenosovým fotonem z druhého síťového uzlu prostřednictvím takzvaného měření Bellova stavu. Čímž by došlo k výměně kvantového provázání mezi vzdálenými supravodivými qubity.

Nicméně podstatná část této vize je zatím teoretická. Zmíněné experimenty se uskutečnily za velmi nízkých teplot, a to je pro praktické využití velmi omezující podmínka. Výzkumníci však doufají, že se jim podaří rozšířit toto provázání fotonů na qubity, použít optická vlákna o pokojové teplotě, implementovat kvantovou teleportaci a provázat qubity na vzdálených kvantových procesorech.

Studii s názvem Provázaní mikrovln a světla zveřejnil časopis Science. Preprintová verze je volně dostupná v databázi arXiv.

Shrnutí editora časopisu Science:

Ve vývoji je několik platforem pro kvantové výpočty, simulace a metrologické aplikace, přičemž každá platforma pracuje na různých provozních vlnových délkách pro optimalizaci výkonu. Pro praktické technologie bude pravděpodobnou realitou hybrid platforem, které vyžadují generování kvantového provázání a jeho sdílení napříč platformami s velkým energetickým rozdílem.

Sahu a spol. představují elektrooptické zařízení, které umožňuje generovat kvantové provázání mikrovln (operační vlnové délky supravodivých obvodů) s optickými fotony (operační vlnová délka kvantové komunikace na velké vzdálenosti). Přemostění platforem s energetickými úrovněmi lišícími se navzájem o více než pět řádů a současné zachování křehkého kvantového provázání poskytuje cestu k efektivnímu propojení hybridních kvantových systémů.

(Ian S. Osborne)

Video: Vize 2033 - kvantový IBM superpočítač s kapacitou 100 000 qubitů

Video: Kvantové počítače vysvětlené pomocí kvantové fyziky

Literatura: Science, arXiv, PhysicsWorld (další zdroje jsou v hypertextových odkazech jsou v textu článku).