Konštrukcia týchto prvých GKP kódov vo svetle je veľmi náročná a potrebuje silnú nelinearitu, čo pre vedcov stále predstavuje výzvu.
Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Medzinárodná skupina vedcov experimentálne vytvorila prvú verziu Gottesman-Kitaev-Preskill kvantových kódov (GKP) pre voľne šírené svetlo, a tým otvorila cestu pre konštrukciu optických kvantových počítačov, ktoré svojimi výkonmi mnohonásobne prekonajú klasickú výpočtovú technológiu.
Unikátny experiment je výsledkom dlhodobej spolupráce medzi vedcami z Tokijskej univerzity (University of Tokio), Prírodovedeckej fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a Univerzity Johannesa Gutenberga v Mainzi (Johannes Gutenberg-Universität Mainz). Výsledky ich spoločnej vedeckej práce boli publikované v prestížnom časopise Science.
Kvantová superpozícia
Kvantové počítače ponúkajú nový spôsob spracovania informácie, pretože využívajú princíp kvantovej superpozície. Ich kvantové bity, čo je kvantová obdoba klasických počítačových bitov, môžu byť vďaka tomu súčasne v stavoch 0 aj 1. Dôležitou vlastnosťou, ktorú tieto tzv. qubity musia spĺňať, je odolnosť proti náhodným chybám, ku ktorým môže dochádzať. Na rozdiel od klasického počítača majú totiž v prípade kvantových počítačov prípadné chyby ďalekosiahlejšie následky. Je preto nutné detegovať a opraviť aj malé nepresnosti.
Kódovanie logických qubitov
Jeden logický qubit je z dôvodu zníženia chybovosti vždy zakódovaný do väčšieho počtu fyzických qubitov. Tento doterajší prístup ale znižuje schopnosť zapájať qubity do väčších kvantových obvodov, pretože je potrebné udržať ich celkovú kvantovú superpozíciu. Medzinárodný tím vedcov sa preto zameral na kódovanie logických qubitov do optických oscilátorov, ktoré môžu niesť i veľmi zložité kvantové kódy a zároveň si zachovávajú odolnosť proti chybovosti.
„Tieto kódy je možné vytvoriť napríklad pomocou mikrovlnných kvantových obvodov v supravodivých rezonátoroch, pohybu jednotlivých chladných atómov a teraz vďaka výsledkom práce nášho medzinárodného tímu aj pri izbovej teplote ako špeciálne stavy svetla, čo je výhodné z hľadiska praktického využitia,“ uviedol profesor Radim Filip z Katedry optiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.
Šírený pulz svetla fungujúci ako optický oscilátor má výhodu, že na jeho vysokých frekvenciách nie je potrebné oscilátory chladiť. Aj keď je optický kód zložený z veľkého počtu fotónov, všetky sú súdržné vnútri jediného pulzu svetla. „Tieto pulzy možno kombinovať, spracovávať a merať pri izbovej teplote s vysokými rýchlosťami tak, ako to poznáme zo súčasných optických komunikácií. Kľúčový krok nelineárnych meraní si oba tímy už spolu vyskúšali v roku 2023 a výsledok publikovali v Nature Communications,“ uvádza Petr Marek z katedry optiky.
Konštrukcia GKP kódov vo svetle
Chybám odolný GKP kód tvorí veľké množstvo fotónov v jedinom optickom pulze, ktorý má presne danú štruktúru a fotóny sú v ňom usporiadané vo virtuálnej mriežke. „Náhodné chyby potom vedú k deformácii alebo posunutiu tejto mriežky, ktorá sa dá detegovať a opraviť. Z experimentálnych dát ale nie je jednoduché potvrdiť, či už má pripravený stav tieto požadované vlastnosti. To bola naša úloha,“ pokračuje Petr Marek.
Konštrukcia týchto prvých GKP kódov vo svetle je veľmi náročná a potrebuje silnú nelinearitu, čo je pre vedcov stále otvorená výzva. „V uskutočnenom experimente bola táto nelinearita vytvorená pomocou vysokokvalitných detektorov počtu fotónov. Do budúcnosti veríme v ďalší rýchly vedecký pokrok. Nelinearita je kľúčom k optickým kvantovým počítačom,“ dopĺňa Radim Filip.
Tento dlhotrvajúci spoločný výskum tímu z Olomouca a Tokia bol financovaný radom projektov Grantovej agentúry Českej republiky vrátane projektu EXPRO a projekty CLUSTEC a NONGAUSS v rámci programov Flagship a Widening, financovaných z Horizon Europe.
Zdroj: TS Univerzita Palackého v Olomouci
(zh)
