Klasické počítače se zdokonalují, ale zdaleka ještě nedosáhly své maximální rychlosti. Přesto již vědci pracují na jejich nástupcích a pomáhají si přitom s kvantovou fyzikou. Celkové řešení, které vědci hledají, vychází z řady detailů. Patří sem i výzkum solitonů.
Specifikem kvantového počítače oproti klasickým počítačům je totiž značná citlivost na vlivy či rušení přicházející z okolí počítačového systému, která je výrazně vyšší než u klasických modelů a vývojáři se ji snaží omezit například provozem ve výrazně podchlazeném stavu. Pomoci by mohly vlny, které označujeme jako „solitony“. Pro ně je typická jejich neměnnost, a jsou tudíž ideální pro konzervaci daného kvantového stavu do doby, než jej změníme úmyslným zásahem.
Solitony s vyšší životností
Tým českých a korejských vědců postupoval tak, že se jejich pozornost soustředila na solitony, které měly tzv. neceločíselný náboj. Vyplývá to ze skutečnosti, že pro potřebu technologie kvantových počítačů jsou vhodnější než vlny s nábojem o jednom elektronu. Zjistilo se, že právě vlastnost spočívající v „neceločíselnosti“ zlepšuje jejich pohyb a výrazně zvyšuje také jejich životnost. To vše jsou totiž předpoklady pro vhodnost uplatnění v technice kvantových počítačů.
Podle vědců byl jejich výzkumem učiněn další krok vpřed k funkčnímu kvantovému počítači. Učinili jej mezi jinými vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, vědecký tým Pavla Jelínka, odborníka ze Sekce fyziky pevných látek AV ČR, který spolupracoval s vědci korejskými z Pohangské univerzity vědy a technologie (POSTECH) z Jižní Koreje. Jejich práce se zaměřila právě na studium tohoto jevu.
Na počátku byl kůň a kanál
Pro technologii kvantových počítačů je klíčový určitý druh vln, tzv. solitonů. V klasické fyzice představují určitý druh vln, které dostaly název „stabilní“. Šíří se totiž ve vodivých hmotách, aniž by pozbyly své energie. Mají tedy stabilní rychlost či amplitudu. Tyto vlny jsou známy od roku 1834, kdy je začal studovat inženýr Scott Russel. Zachytil je ve vodě, přesněji v plavebním kanálu, kde je také osobně zkoumal, aniž by mu vůbec mohlo dojít, že jeho výzkum ovlivní vývoj toho, o čem neměl on ani jeho současníci, ponětí. Činil tak za pomoci tehdy nejmodernějšího dopravního prostředku, koně, na němž uháněl podél kanálu a připravoval tak revoluci ve vývoji kvantového počítače
Mohlo by se zdát, že vlnění v plavebním kanálu nemůže mít nic společného s vývojem kvantových počítačů, opak je pravdou. Právě takový proces totiž vědcům poskytl možnost studovat takzvané vodivé polymery. Směr výzkumu ústící k uskutečnění snu o kvantovém počítači postupoval přes prokázání schopnosti ovládat jednotlivé solitony, tedy je pod neustálou kontrolou tvořit, pohybovat s nimi, eventuálně je rušit, prostě s nimi podle potřeby pracovat. Teprve potom je totiž možné hovořit o něčem, co dokáže být médiem zařízení, jež má logický účel vést určitý strukturovaný řetězec „od jednoho bodu (zadání) k bodu poslednímu (výsledek).
Cesta k průlomovému objevu v tomto směru nebyla vůbec lehká ani jednoduchá. Stručné sdělení Pavla Jelínka, že počátek této cesty klade do doby sledování atomární struktury křemíkových řetízků, které byly „dekorované“ zlatem rastrovacím mikroskopem, zdaleka nevypovídá o namáhavé a mravenčí práci vědců. Po zaznamenání pravidelných změn v uspořádání atomů postupně nacházeli řešení na ovládání solitonů. Teprve potom se jim zcela otevřel přístup k tomu, co hledali.
Vědecký tým našich a korejských výzkumníků svou prací přispěl k tomu, aby se vidina výkonného kvantového počítače opět o nějaký kousek přiblížila. Je jisté, že až nastane éra kvantových počítačů, tak se zmnohonásobí síla většiny vědních oborů a zpřesní se rovněž také praxe na důležitých úkolech, které budeme mít my a posléze naši potomci. Je přitom sympatické, že čeští vědečtí pracovníci těmto procesům napomáhají. Je to opět jedna z důležitých oblastí, kde představitelé naší vědy neztrácejí své pozice na vrcholcích vědeckého výzkumu, naopak se zapisují mezi odborníky celosvětového významu. V té souvislosti je rovněž na místě vyzdvihnout mezinárodní spolupráci, která se při řešení tohoto vědeckého úkolu velmi dobře osvědčila.
Výsledek tohoto výzkumu byl publikován v časopise Nature Nanotechnology.
Proč je třeba kvantový počítač
Svět počítačů je stále v pohybu. Mohlo by se zdát, že ve svém základu je počítač jako takový „hotový“, v současnosti bude stačit ho jenom trochu popohnat, aby operace na něm probíhaly rychleji. Rychlost zařízení je samozřejmě vždy „na pořadu dne“ především s neustále rostoucím množstvím dat a požadavkům na jejich zpracování.
Nicméně klasický základ, na němž jsou naše počítače založeny, již přestává stačit snahám o výrazné urychlení procesů. Potřeba zvýšit výkon počítačových systémů je znát především ve speciálních výzkumech z mnoha vědeckých oblastí – astronomii, biochemii meteorologii a další obory až po vojenství.
Z tohoto důvodu odborníci začínají vyvíjet tzv. kvantové počítače, v nichž, jak jejich název napovídá, hodlají plně zapojit poznatky z kvantové mechaniky. Počítače budou využívat pro svoji činnost tzv. superpozice a interference. Teoretické předpoklady pro taková zařízení položily vědecké osobnosti, z nichž jmenujme Richarda Feynmana, jenž na těchto principech pracoval od osmdesátých let dvacátého století. Z tuzemských kapacit na realizaci kvantových počítačů pracoval Jozef Gruska.
Dosavadní počítačová technologie byla odvislá od binárního systému, tedy uspořádání, v němž nejmenší části informací, tedy tzv. „bity“ mají přiřazenou základní hodnotu 0, nebo 1. O kolik by však mohly být naše počítače výkonnější a naše databáze obsáhlejší, kdyby se tyto informace sestávaly z tzv. „Qubitů“, tedy jednotek, které mají hodnotu jak 0, tak 1. Ve světě každodenního uvažování je to protimluv, nicméně díky náhledu do světa kvantové mechaniky víme, že svět může fungovat na základě dvojí logiky, což oplývá nesmírným potenciálem praktického využití.
Technici dokázali na kvantovém principu zkonstruovat již několik zařízení, avšak zatím nejsou schopna univerzálního využití. Roku 2019 dokázal tým Googlu zkonstruovat procesor Sycamore, jenž údajně zvládal překonat rychlost svých klasických předchůdců za pomoci mřížky o pouhých 53 funkčních quibitech.
Kvanta, nováčci na vědecké scéně
Kvantová fyzika představuje soubor fyzikálních teorií, které vznikly ve dvacátém století a překonaly tak do té doby platné postuláty klasické fyziky. Počátky kvantové fyziky jsou spjaty s takovými vědci, jakými byli Max Planck, De Broglie a další zvučná jména vědy. K tomuto proudu se posléze připojil i Albert Einstein, kterého vnímáme jako jednoho z největších vědců naší doby, spojeného zvláště s teorií relativity, jehož objevy představují rovněž průlom do fyzikálního chápání světa.
Při velmi hrubém zjednodušení problematiky bychom mohli říci, že klasická fyzika pracovala ve svých definicích (odděleně) s částicemi a vlnami, zatímco kvantová zapojila do výkladu ona „kvanta“, která způsobují změny v systémech nikoliv spojitě, ale odděleně, v „balíčkách“ oněch kvant, tedy násobcích energie určených Planckovou konstantou. Navíc připustila výskyt částic jak vlnové, tak částicové povahy, což byl významný příspěvek do tohoto oboru od De Broglia. Novátorský přístup k hledání zákonitostí světa otevřel vědcům dříve netušené možnosti.
Významným způsobem překročil meze, které fyzikálním zákonům představil newtonovský model, chápající a popisující svět mechanisticky s přísným řádem příčin a následků, který vesmír vázal do struktur více méně předvídatelných, samozřejmě za předpokladu zpracování nesmírného množství dat. Kvantová fyzika tento model opouští a nastoluje až bezbřehý konglomerát dříve netušených vazeb, jenž některé vědce přivádí k teoriím popírajícím zaběhnuté postupy popisující vznik a fungování univerza.
Nová teorie pracuje v první řadě s atomovými a spíše se subatomárními částicemi, jejichž vlastnosti se v jejich pojetí díky duálnímu charakteru mění mnohdy tak, až se začínají přibližovat dlouhodobě kýženým snahám o sjednocující „teorii všeho“. Uvažujeme-li v oblasti kvantové fyziky, rozlišujeme pak v teoretickém i praktickém pohledu kvantovou mechaniku a kvantovou teorii pole.
