Experiment medzinárodnej skupiny vedcov otvoril cestu k výrazne rýchlejšiemu spracovaniu dát v optických kvantových počítačoch.
3D ilustrácia kvantového počítača. Ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com
Na rozdiel od základných lineárnych operácií, ktoré len sčítavajú a odčítavajú, nie je možné na klasických počítačoch efektívne simulovať nelineárne operácie. Medzinárodnému vedeckému tímu sa teraz ako prvému na svete podarilo v laboratórnych podmienkach uskutočniť potrebné nelineárne meranie propagujúceho sa elektromagnetického poľa. Práve toto nelineárne meranie je podľa odborníkov kľúčom k zostrojeniu superrýchlych optických kvantových počítačov. Unikátny experiment je ďalším výstupom dlhodobej spolupráce medzi vedcami z Univerzity v Tokiu a Univerzity Palackého v Olomouci a ďalších tímov z Austrálie. Výsledky ich práce boli publikované v prestížnom časopise Nature Communications.
Princíp kvantovej superpozície
Kvantové počítače využívajú kuriózne vlastnosti mikrosveta atómov a fotónov, najmä princíp kvantovej superpozície. Vďaka tejto schopnosti môžu výrazne prekonať rýchlosť klasických počítačov, ktoré obmedzene pracujú s klasickými bitmi, založenými na binárnych čísliciach 0 a 1. Kvantové počítače využijú ich komplexné superpozície na masívnych počtoch atómov a fotónov.
Pre konštrukciu kvantových počítačov vedci zvažujú viaceré platformy. Okrem supravodivých kvantových bitov a spinov atómov sa do popredia ich záujmu dostávajú aj veľkokapacitné mikrovlnné a optické riešenia. Hlavnou výhodou optických riešení je, že môžu operovať pri izbovej teplote s vysokými opakovacími frekvenciami, a to až rádovo v terahertzoch. Optické kvantové počítače možno navyše vďaka moderným technológiám klasickej optickej komunikácie prepojovať i na veľkú vzdialenosť.
Nelineárne operácie
Základom fungovania optických kvantových počítačov sú nelineárne operácie, teda operácie, ktoré uskutočňujú operácie násobenia medzi určitými vlastnosťami kvantových stavov. Na rozdiel od základných lineárnych operácií, ktoré len sčítajú a odčítajú, nie je možné na klasických počítačoch efektívne simulovať nelineárne operácie. Môžu teda viesť na požadované navýšenie rýchlosti.
Nelinearitu vedci dosiahli prostredníctvom kombinácie rýchlych nelineárnych výpočtov v digitálnych elektronických obvodoch a nových stavov svetla so silne kvantovými vlastnosťami znižujúcimi šum v nelineárnych obvodoch. Pomocou merania na veľkej vzorke rôznych stavov svetla následne overili, že merací obvod požadovanú nelineárnu operáciu skutočne vykonáva.
Využitie elektronickej doprednej väzby
„V rámci desaťročnej vedeckej spolupráce bola po prvýkrát vyvinutá a verifikovaná kľúčová technológia rýchlej a flexibilnej nelineárnej manipulácie so stavmi svetla pomocou elektronickej doprednej väzby, ktorá je zásadná pre budúce využitie nielen v optických kvantových počítačoch. S jej pomocou bolo skonštruované nelineárne meranie využívajúce túto rýchlu doprednú väzbu a pomocné stavy svetla so silne kvantovými vlastnosťami,“ uviedol profesor Radim Filip.
Použité nelineárne elektronické obvody pracujú s konceptom vyhľadávacej tabuľky, prostredníctvom ktorej sú požadované hodnoty nelineárnych funkcií vypočítané vopred. V samotnom experimente boli len vyvolané z pamäte. Podľa vedcov umožňuje táto metóda vysokú rýchlosť obvodu, s čím je spojená potreba len malého optického oneskorenia a nízkych strát.
Kvalita takéhoto nelineárneho kvantového merania kriticky závisí od zníženia jeho šumu. „Pre toto nelineárne meranie sú zásadné stavy, ktoré majú vhodne potlačené nelineárne kvantové fluktuácie. V experimente boli preto využité nelineárne stlačené stavy, prvýkrát vygenerované spoločným tímom v roku 2021. Na vyhodnotenie merania bolo ako testovací signál využité slabé laserové svetlo pripravené s 27 rôznymi hodnotami amplitúd a rovnomerne rozdelenou fázou. Spolu bolo premeraných 2,16 milióna bodov. Namerané výsledky vykazovali nelineárnu závislosť od vlastností signálu podľa našich teoretických očakávaní,“ podotkol docent Petr Marek.
Plodná spolupráca pokračuje
Celý súbor testovacích stavov a im zodpovedajúcich výsledkov bol použitý na rekonštrukciu kvantových vlastností detektora. „Potlačenie kvantového šumu navyše presne zodpovedalo nelineárnemu stlačeniu pomocných stavov. Nelineárne meranie bolo teda úspešne experimentálne preukázané,“ povedal Petr Marek. „Naša dlhodobá a unikátna spolupráca s tokijským tímom profesora Furusawu na meraním indukovaných kvantových operáciách so svetlom pokračuje ďalej nielen v tomto smere, ale i paralelne v rade ďalších, pričom zahŕňa nové generácie študentov a mladých vedcov. Pritiahla aj značnú pozornosť na ministerskej a diplomatickej úrovni, pretože kvantové technológie sa rýchlo stávajú prioritou všade na svete,“ dodal Radim Filip.
Zdroj: TS Univerzity Palackého v Olomouci
(zh)
