Jak fungují kvantové počítače, možné nástroje budoucnosti?

Každý jistě zná Alberta Einsteina, mnozí si z dob středoškolských nebo vysokoškolských studií vybaví i jméno Max Planck. A pokud si pamatujete pojem kvantová mechanika, vězte, že právě ta hraje ve fungování kvantových počítačů hlavní roli.

Kvantové principy

Základním stavebním kamenem běžného počítače a zároveň nejmenší jednotkou dat jsou bity. S jejich pomocí může počítač provádět početní operace. Každý bit je totiž nositelem informace a jeho stav může reprezentovat buď nula, anebo jednička. U kvantového počítače jsou ale ústředními jednotkami tzv. qubity. Jejich hodnota může být na rozdíl od „obyčejného“ bitu 0 i 1 zároveň – přesně řečeno, jejich hodnotu popisuje pravděpodobnostní funkce. Kvantový objekt (například elektron) tak může být ve více stavech najednou. A to díky jednomu ze dvou hlavních kvantových principů, kterým je princip superpozice.

Tím druhým je tzv. princip kvantové provázanosti. Díky němu sdílí dva kvantové objekty své informace a vlastnosti a navzájem se tak ovlivňují. Každý takový objekt, například každý elektron, má svůj vnitřní moment hybnosti neboli spin. Je-li spin jednoho elektronu směrem dolů, spin druhého elektronu musí být automaticky směrem nahoru. Součet jejich momentů hybnosti totiž musí být vždy roven nule.

Jak ukočírovat qubity?

Zatímco architektura běžných počítačů na bázi křemíku, polovodičů a tranzistorů je už desítky let stejná, hardware pro práci s qubity je velmi různorodý. Je totiž založený na odlišných fyzikálních principech. V každém případě však vyžaduje pokročilé a komplexní technologie. „Qubity jsou velmi nestálé, jakýkoliv nežádoucí externí vliv tak může překazit chod kvantového počítače. Vědci a inženýři se proto snaží, aby qubity byly izolované od vnějších zásahů,“ vysvětluje Vojtěch Kabelka, student umělé inteligence na ETH v Curychu a přispěvatel portálu Technisféra.

Jednou z možností, jak toho dosáhnout, jsou supravodivé materiály neboli supravodiče. K jejich účinnému provozu je ovšem zapotřebí teploty až minus 273,15 °C. Tedy teploty velmi blízké absolutní nule, označované také jako 0 K (nula Kelvinů). To je sice energeticky i prostorově velmi náročné, avšak nezbytné. Zjednodušeně řečeno – čím více se supravodiče chladí, tím méně se toho mezi qubity děje.

Další alternativou jsou tzv. lapené ionty, které vznikají z atomů vodíku zbavených elektronů. Vznikají tak kladné ionty, tedy protony, které se chovají jako kvantové objekty a mohou se stát qubity. Jednotlivé lapené ionty lze manipulovat pomocí přesných a velmi jemně řízených světelných paprsků (laseru). Tímto způsobem je tak dosaženo zmiňované kvantové provázanosti.

Domů se zatím nevejdou

Už jen podle stručného vysvětlení musí být patrné, že kvantové počítače se nacházejí v podobné fázi jako před několika desítkami let ty klasické. Velké množství prostoru a energie spotřebuje jen samotné chlazení. „Jedině teploty blížící se absolutní nule dokážou pohyb částic ustálit natolik, aby bylo možné s kvantovým počítačem pracovat. Dokud nebudou vynalezeny způsoby pro dostupnější využití kvantových počítačů pro vědecké nebo komerční účely, bude si muset široká veřejnost ještě počkat,“ dodává Vojtěch Kabelka.

K čemu by se kvantové mohly jednou využívat si můžete přečíst zde.