Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 38 (vyšlo 25. listopadu, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Kvantový počítač IBM Q

Petr Kulhánek

V bulletinu AB 37 jsme si popsali základní princip kvantového počítače. Srdcem je objekt mikrosvěta v superpoziciSuperpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž>+b|M>, kde ab jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. dvou nebo dokonce více stavů, který nazýváme qubitQubit – (kvantový bit) - základní jednotka informace podléhající kvantové logice.  Základní informace 0 nebo 1 je nesena částicí v obou stavech až do provedení měření. . Takovou superpozici je možné navodit laserovým nebo mikrovlnným impulzem. Qubit nebývá v procesoru sám, ale je jich větší množství a tyto qubity jsou kvantově provázanéProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Nelze ale měřit stav jedné částice, aniž bychom ovlivnili druhou. Někdy se také hovoří o propletených stavech., což znamená, že byly (opět nějakým laserovým nebo mikrovlnným impulzem) přivedeny do stavu, v němž se při měření na jednom qubitu zjistí i některé vlastnosti ostatních qubitů. Informace o jednotlivých možných stavech provázané soustavy qubitů je nesena paralelně a jednotlivé amplitudy můžeme ovlivňovat logickými operacemi (realizují se magnetickým polem nebo elektromagnetickými impulzy). Kvantovou interferencíKvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností. dojde k zesílení některých amplitud a jako výsledek výpočtu proto při finálním měření zjistíme určitý preferovaný stav soustavy qubitů. Zjednodušeně tedy můžeme říci, že kvantový počítač je postaven na třech základních kvantových principech: superpozici, provázanostiinterferenci. V dnešním bulletinu se budeme zabývat současným stavem, který je více než slibný. V první polovině roku 2017 oznámily hned tři společnosti, že mají připraveny kvantové počítače a do roka jsou schopny zahájit komerční prodej. Šlo o D Wave Systems, IBM a Intel. V současosti má D-Wave Systems k dispozici procesor s 2048 qubity, IBM a Intel s 20 qubity. Situace ale není tak jednoznačná. Procesor vyvíjený společností D-Wave Systems není ve skutečnosti základem univerzálního kvantového počítače, ale stroje určeného pro jeden typ výpočtu, tzv. adiabatického ochlazování, při němž se hledá optimální řešení pro úlohu s mnoha vstupy. Jde tedy o kvantový optimalizér. Navíc společnost IBM v několika článcích dokazovala, že nejde o kvantový počítač, neboť nestačí zvyšovat počet qubitů, ale je třeba zajistit i jejich malou chybovost a vzájemnou provázanost, což procesor společnosti D-Wave Systems nesplňuje a při výpočtu postupuje spíše jako klasický počítač. Nepochybně zde svou roli hraje konkurenční boj mezi oběma společnostmi, ale jednoznačně jsou prvním krokem k univerzálnímu programovatelnému kvantovému počítači procesory vyvíjené společnostmi IBM a Intel. V dnešním bulletinu se zaměříme na technologii společnosti IBM.

Velké množství qubitů zdaleka neznamená výkonnější kvantový počítač

Velké množství qubitů zdaleka neznamená výkonnější kvantový počítač. Zdroj: IBM.

Kvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů nebo atomových jader. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách spinu a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.

Kvantový bit, qubit – kvantová verze bitu (jednotky informace). Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice a|0⟩+b|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření.

Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž>+b|M>, kde ab jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná.

Provázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Nelze ale měřit stav jedné částice, aniž bychom ovlivnili druhou. Někdy se také hovoří o propletených stavech.

Kvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností.

Qubit založený na Jospehsonově spoji

První pokusy s qubityQubit – (kvantový bit) - základní jednotka informace podléhající kvantové logice.  Základní informace 0 nebo 1 je nesena částicí v obou stavech až do provedení měření. využívaly atomy držené v důmyslných elektromagnetických pastích, které byly chlazené na teplotu blízkou absolutní nule. Dnešní technologie přípravy qubitů je poněkud odlišná. Společnost IBM využívá jako qubit supravodivý Josephsonův spoj. Jde o dva supravodiče oddělené tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páryCooperův pár – vázaný pár elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Celý pár se chová jako boson a může vytvářet Boseův-Einsteinův kondenzát. V každém energetickém stavu jich může být libovolný počet. elektronů mohly tunelovat skrze izolant. Rozhraním teče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Josephsonův spoj se už delší dobu používá jako senzor magnetického pole SQUIDSQUID – citlivý magnetometr, kterým se měří velmi slabá magnetická pole za pomoci supravodivé smyčky obsahující Josephsonův spoj. Zařízením lze změřit i extrémně slabá pole až do 5×10–18 T. Název zařízení je zkratkou z anglického „Superconducting Quantum Interference Device“. Samotné slovo „squid“ znamená v češtině krakatice (hlavonožec žijící v oceánech).. Jak ho lze ale využít jako qubit, který potřebuje být v superpozici dvou stavů? Proud tekoucí Josephsonovým spojem lze vyjádřit jako I = I0 sin δ, kde δ je rozdíl fází komplexních vlnových funkcí popisujících supravodivé stavy na obou stranách spoje. Kvantová teorie vede na rovnici pro veličinu δ, která připomíná pohybovou rovnici částice v potenciálu podobném valše, na které kdysi hospodyňky praly prádlo (byl to takový zvlněný plech, o který se prádlo doslova drhlo ve škopku s vodou). Hodnota fázového posunu δ se snaží zaujmout buď nejnižší minimum potenciálu valchy, nebo první excitovaný stav. Vše připomíná kvazičástici, která může nabývat dvou stavů. A právě tato kvazičástice je qubitem (někdy se mu říká fázový qubit), pokud ji připravíme v superpozici základního a prvního excitovaného stavu. K tomu slouží mikrovlnný rezonátor lokalizovaný v blízkosti Josephsonova spoje. Celý obvod se chová silně nelineárně (indukčnost je výrazně nelineární funkcí rozdílu fází δ). Dobře chlazený Josephsonův spoj má malou disipaci energie a umožňuje dlouhodobé provázání kvantových stavů.

Potenciál valchy pro fázový posun δ

Potenciál valchy pro fázový posun δ.

Qubity společnosti IBM založené na supravodivém Josphsonově spoji

Qubity společnosti IBM založené na supravodivém Josphsonově spoji. Zdroj: IBM.

IBM Q

V první polovině roku 2017 společnost IBM vyvinula prototyp komerčního kvantového počítače pod názvem IBM Q se 17 qubity. Ve vývoji je dvacetiqubitový počítač a v plánu pro nejbližší roky je i padesátiqubitová verze. Procesor je chlazen na teplotu 15 milikelvinů, což je teplota nižší, než je v prázdném prostoru ve vesmíru (ta je dána teplotou reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí)., což je 2,73 kelvinu). Hlavním prvkem určujícím velikost počítače je kryogenní systém. Fotografie stroje IBM Q připomínají období prvních sálových počítačů ze sedmdesátých let dvacátého století. Tenkrát se k výpočtům využíval náboj elektronu, dnes jde o jeho spin. Společnost IBM učinila zajímavý marketingový tah. Pod názvem Quantum Experience umožňuje registrovaným uživatelům zdarma vzdálený přístup k tomuto počítači. Na webových stránkách jsou jak základní, tak pokročilé návody, jak uskutečnit jednotlivé kvantové operace (uživatelské rozhraní jich umožňuje deset). Aplikační rozhraní je založeno na jazyku Python a lze se s ním připojit přes cloud IBM buď k pětiqubitovému nebo k šestnáctiqubitovému procesoru. Počet registrovaných uživatelů již přesáhl 60 000. Jde o fascinující možnost vyzkoušet si kvantové výpočty na reálném hardwaru, nikoli na simulátoru, kterých je celá řada (jeden z nich například zahrnula společnost Microsoft do svého Visual Studia). Vzhledem k tomu, že první dva kvantové počítače společnosti IBM zakoupila americká NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a počítačový gigant Google, lze konstatovat, že éra kvantových počítačů byla právě odstartována. Není bez zajímavosti, že letošní Diracova medaile (druhé nejvyšší ocenění za fyziku po Nobelově ceněNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Nobelova cena činí 8 milionů švédských korun, tj. 23 milionů českých korun a uděluje se vždy 10. prosince pří výročí smrti Alfreda Nobela.) byla udělena zakladateli kvantových informačních technologií Charlesu Bennettovi, průkopníku kvantových počítačů Davidu Deutschemu a objeviteli kvantového algoritmu pro faktorizaci Peteru Shorovi.

Pohled do nitra počítače IBM Q

Pohled do nitra počítače IBM Q. Zdroj: IBM.

Uživatelské rozhraní pětiqubitové verze Quantum Experience

Uživatelské rozhraní pětiqubitové verze Quantum Experience. V dolním řádku je
seznam deseti kvantových operací, které lze na qubitech uskutečnit. Zdroj: IBM.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage