Znajdź zawartość

Wizjonerzy mamią nas wizjami komputerów kwantowych od dobrych dwudziestu lat. I pomimo nieustannego postępu w tej dziedzinie, w zasadzie wciąż jedyne osiągnięcia to laboratoryjne przykłady, a największy zbudowany „komputer" składał się z... aż trzech qubitów, czyli kwantowych bitów. Największym problemem, jak się uważa, będzie niezawodność takich konstrukcji i odporność na błędy, trudno bowiem zapanować nad stanem każdego pojedynczego atomu czy elektronu. Jak uważają angielscy i australijscy naukowcy, sprawa niekoniecznie musi być aż tak trudna. Doktor Sean Barrett z Imperial College London i Thomas Stace z University of Queensland w australijskim Brisbane sugerują dość proste rozwiązanie problemu błędów - korekcję. Korekcja błędów stosowana jest dzięki odpowiednim algorytmom w dzisiejszej elektronice, a wykorzystywana jest zwykle przy korzystaniu z pamięci masowych. Same programy korygujące muszą jednak działać niezawodnie... Korekcja błędnych danych w komputerze kwantowym musi jednak dotyczyć samego procesu przetwarzania, powinna zatem być jakoś powiązana z samym sposobem działania kwantowego mechanizmu. Taki sposób właśnie zaprojektował zespół pod kierunkiem dra Barreta. To system kontekstowego kodowania danych, który pozwala poprawnie działać algorytmom nawet w przypadku ubytku lub przekłamania 25% qubitów. Polega on na rozmieszczeniu elementów na trójwymiarowej matrycy, podczas odczytu z której brane są pod uwagę również sąsiadujące elementy. Taki kwantowy komputer byłby, zdaniem angielsko-australijskiego zespołu, znacznie łatwiejszy do skonstruowania. Tym niemniej, to wciąż są na razie prace teoretyczne i do pojawienia się komercyjnych konstrukcji może upłynąć kolejnych dwadzieścia lat.

Zespół pod kierownictwem Stevena Girvina z Yale University stworzył pierwszy w historii elektroniczny procesor kwantowy. Zbudowany z nadprzewodnika chip pracuje z dwoma qubitami i jest w stanie przeprowadzać bardzo proste operacje. Podobne obliczenia kwantowe były dokonywane już wcześniej, ale po raz pierwszy udało się je przeprowadzić za pomocą urządzenia, które jest ciałem stałym, a więc przypomina współcześnie używane procesory. Każdy z qubitów jest złożony z około miliarda atomów glinu, jednak zachowują się one jak pojedynczy atom i mogą jednocześnie przybierać dwa różne stany energetyczne, a więc mamy do czynienia ze zjawiskiem superpozycji. Dotychczas nie udawało się przeprowadzić obliczeń kwantowych w ciele stałym, ponieważ kwantowe bity (qubity) błyskawicznie traciły swoje właściwości, stając się "zwykłymi" bitami. Pierwsze qubity, uzyskane 10 lat temu, wykazywały właściwości kwantowe przez nanosekundę. Teraz naukowcom udało się wydłużyć ten czas tysiąckrotnie, do mikrosekundy. To wystarczyło, by przeprowadzić proste operacje. Oba qubity komunikowały się ze sobą za pomocą fotonów przesyłanych poprzednio skonstruowanymi połączeniami. Uczonym udało się zmusić qubity, by wymieniały dane i robiły to tylko wtedy, gdy uczeni tego chcieli. Teraz naukowcy będą starali się wydłużyć czas, w którym qubity wykazują właściwości kwantowe. Jeśli im się to uda, będzie można dokonywać bardziej złożonych obliczeń. Akademicy chcą też zwiększyć liczbę wykorzystywanych qubitów, co znakomicie zwiększy wydajność obliczeniową całego systemu. Od powstania pierwszego kwantowego komputera dzieli nas jeszcze wiele lat, jednak właśnie jesteśmy świadkami dokonania olbrzymiego kroku naprzód.

Naukowcy z uniwersytetów w Oxfordzie i Princeton wraz ze specjalistami z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) poinformowali o dokonaniu ważnego odkrycia na drodze do powstania komputerów kwantowych. W maszynach takich informacja ma być przechowywana w postaci kwantowych bitów, qubitów. Jednak dane w postaci stanu kwantowego są bardzo niestabilne i mogą zostać bardzo łatwo zmienione przez wpływ środowiska. Amerykańskim naukowcom udało się odizolować je od tego wpływu. Aby to osiągnąć przygotowali hybrydowy system składający się z elektronów i jąder atomu fosforu umieszczonych w krysztale krzemu. Jądro i elektron zachowują się wówczas jak miniaturowe kwantowe magnesy, zdolne do przechowywania informacji. Elektron w krysztale zajmuje (jako rozmyta gęstość prawdopodobieństwa) obszar ponad milion razy większy i jako taki ma tysiące razy silniejsze pole magnetyczne niż jądro atomu. Dzięki temu można go wykorzystać do manipulowania informacją i jej mierzenia, nie nadaje się jednak do jej przechowywania, gdyż jest bardzo niestabilny. Tutaj rozpoczyna się rola jądra atomowego. Gdy informacja zawarta w elektronie jest już gotowa do przechowywania, zostaje ona wysłana do znacznie bardziej stabilnego jądra. Eksperymenty wykazały, że taka metoda pozwala na przechowywanie informacji kwantowej przez 1750 milisekund (1,75 sekundy). To znaczny postęp, ponieważ dotychczas udawało się ją przechować przez kilkadziesiąt milisekund. Opisane powyżej badania są bardzo ważne, jednak nie należy się spodziewać, by w najbliższych latach powstały prawdziwe komputery kwantowe. Eksperyment był trudny do przeprowadzenia, a udał się on dzięki wzbogaceniu krzemu izotopem 28Si i wyhodowaniu niezwykle czystego, dużego kryształu.

NTT oraz Uniwersytet w Osace poinformowały, że przed dwoma dniami (26 maja) po raz pierwszy w historii wykorzystały kwantową teleportację do przeprowadzenia kwantowych obliczeń. Powodzenie projektu było możliwe dzięki pracom grupy naukowców z NTT, której przewodzil Yuuka Tokunaka oraz profesora Nobuyukiego Imoto z Uniwersytetu w Osace. Pokazany przez nich "kwantowy komputer" był zbudowany z "obracającej się bramki" oraz "kontrolowanej bramki NOT". Naukowcy poinformowali, że "obrotowa bramka" była łatwa do stworzenia, jednak z "kontrolowaną bramką NOT" były problemy, ponieważ jej konstrukcja wymagała interakcji pomiędzy qubitami. Udało się ją zbudować, dzięki kwantowej teleportacji, czyli zjawisku polegającym na przeniesieniu stanu kwantowego pomiędzy oddalonymi od siebie splątanymi qubitami. Naukowcy splątali ze sobą cztery fotony uzyskane za pomocą konwersji parametrycznej. Technika ta pozwala na wygenerowanie pary fotonów za pomocą pobudzenia laserem nieliniowego kryształu optycznego. Wiarygodność (czyli odsetek skutecznych prób uzyskania pożądanego obiektu) wyniosła 86%, czyli jest znacznie wyższa niż to, co udawało się dotychczas osiągnąć. Naukowcy, gdy mieli już cztery splątane fotony, przeprowadzili za ich pomocą obliczenia. Japończycy planują teraz zwiększenie liczby fotonów biorących udział w obliczeniach tak, by można było wykonywać za ich pomocą dowolne operacje matematyczne.

Po raz pierwszy w historii udało się dokonać jednocześnie kwantowej teleportacji i przechować kwantowy bit w pamięci. Połączone siły naukowców z niemieckiego uniwersytetu w Heidelbergu, chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii oraz Instytut Atomowego Uniwersytetów Austriackich przesłał na odległość 7 metrów qubit (kwantowy bit) i przez krótką chwilę przechowywał go w pamięci komputera. Qubity to najmniejsze jednostki informacji w kwantowych komputerach przyszłości. W przeciwieństwie do obecnych bitów, który przechowuje wartość 0 lub 1, qubit jest ich superpozycją, czyli jednocześnie przybiera wartość 0 i 1. Ponadto qubitów nie można kopiować. Możliwe jest tylko ich przeniesienie. Podczas wspomnianego eksperymentu qubit przeniesiono za pomocą teleportacji do układu pamięci, na który składały się dwa klastry wykonane z atomów rubidu. Każdy z klastrów zawiera około miliona atomów zamkniętych w magnetooptycznej pułapce. Po teleportacji można tam przechowywać i odczytywać qubit przez 8 mikrosekund (8 milionowych części sekundy), później jego stan się zmienia. Interfejs pozwalający mapować kwantowy stan fotonu na kwantowy stan materii, a następnie odczytać go bez zmiany stanu to zasadnicza część przyszłych technologii kwantowych – powiedział profesor Jian-Wei Pan, szef zespołu badawczego. Stany kwantowe przenoszone przez qubity były zakodowane w fotonach, które przekazały je rubidowym klastrom. Te reprezentowały je w postaci wspólnego spinu wszystkich elektronów w klastrze. Najpierw naukowcy splątali polaryzację fotonów ze spinem atomów rubidu. Następnie dokonali teleportacji stanu pojedynczego qubitu za pomocą pomiaru splątanego fotonu z fotonem, który miał być teleportowany. Pomiar doprowadził do splątania obu fotonów i projekcji stanu drugiego fotonu na klaster atomów rubidu. Technika ta ma jednak poważne wady. Po pierwsze prawdopodobieństwo, że dojdzie do teleportacji jest niewielkie, po drugie informacja jest przechowywana w pamięci bardzo krótko. Dlatego też sami naukowcy prowadzący eksperyment mówią, że konieczne są jeszcze znaczne usprawnienia.