Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 40 – vyšlo 5. listopadu, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

40/2021

Na Harvardu vznikl kvantový simulátor s 256 qubity

Petr Kulhánek

Skupina vědců na Harvardově univerzitěHarvardova univerzita – nejstarší univerzita na území Spojených států, založena byla roku 1636. Sídlí ve městě Cambridge ve státě Massachusetts . Studuje zde kolem 20 tisíc studentů z celého světa. Přijímací řízení trvá jeden rok a ročně je v průměru přijato 7 % žadatelů. Nobelovou cenou bylo oceněno 47 absolventů., která spolupracovala s řadou dalších špičkových pracovišť, v roce 2021 informovala, že se jí podařilo zkonstruovat 2D pole čítající 256 qubitůQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. tvořených neutrálními atomy excitovanými do vysokých kvantových stavůKvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů).. Skupina vyvinula technologii pro manipulaci s jednotlivými qubity. Každý qubit je současně elementárním magnetem, takže se qubitová mříž chová jako magnetický materiál. Skupina pozorovala jak fázové přechody známé teoreticky, tak objevila nové fázové přechody. Vzniklá qubitová mříž může také sloužit jako programovatelný kvantový simulátor a v budoucnu otevřít cestu novým kvantovým technologiím včetně nové generace kvantových počítačů, jejichž qubity budou mít odlišnou konstrukci od současných systémů založených většinou na Josephsonově jevuJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj. (viz AB 38/2017).

Pohled do laboratoře na Harvardově univerzitě, kde nový kvantový simulátor vznikl.
Zleva doprava: Dolev Bluvstein, Mikhail Lukin a Sepehr Ebadi. Zdroj: Harvard.

Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů). Qubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. 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 a a b 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. Optická mříž – pravidelně se střídající minima a maxima elektrického potenciálu, jež vznikla interferencí dvou nebo více laserových svazků. Optická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší.

Revoluce kvantových technologií

Elektronická revoluce, jejímiž výdobytky je naše civilizace zaplavena dodnes, v posledních dvou desetiletích přerostla v revoluci kvantových technologii. Nové technologie nevyužívají jen náboj elektronu, ale také jeho spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. a veškeré kvantové vlastnosti mikrosvěta. První spintronickáSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997. zařízení se okrajově začala objevovat v 80. letech 20. století. Objev obří magnetorezistenceObří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997. v roce 1987 vedl o pouhých deset let později ke skokovému nárůstu kapacity pevných disků o několik řádů. Nové pevné disky začaly využívat interakce spinu elektronu s magnetickým materiálem a elektronická revoluce začala zažívat druhé, kvantové období (viz AB 41/2007, 29/2016). Kvantová teleportace přestala být neuskutečnitelným snem a první experimenty z počátku 21. století dospěly až k teleportaci fotonů z povrchu Země na čínskou družici MiciusMicius – čínská družice pro kvantové technologie, která byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Oficiální název družice je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite). V červenci 2017 se podařila kvantová teleportace fotonů na vzdálenost 1 400 kilometrů. Téhož roku se uskutečnila distribuce kvantového klíče šifrované zprávy na vzdálenost 7 500 kilometrů. Alternativní název Micius je vytvořen ze jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem. v roce 2017 (viz AB 31/2004, 33/2017). Kvantová kryptografie (viz AB 14/2005) nabídla zcela novou míru bezpečnosti přenosu zpráv. V roce 2015 se objevil gravimetr měřící gravitační pole na základě superpoziceSuperpozice 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 a a b 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 stavů iontů, které současně vylétly do dvou výšek, v nichž reagovaly na různé gravitační pole. Z interference obou kvantových stavů bylo možné změřit gravitaci s bezprecedentní přesností (viz AB 5/2015, 14/2016). Nejvíce je ale kvantová revoluce v povědomí lidí spojená se vznikem kvantových počítačůKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, 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. (viz AB 37/2017, 38/2017, 44/2019). První qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. byly realizovány jako chladné ionty držené v elektromagnetické pasti. Postupně se ale prosadily další konstrukce qubitů. V roce 2017 obletěla svět zpráva, že společnost IBM začíná prodávat kvantové počítače s 50 qubity založenými na dvou stavech průchodu elektronů Josephsonovým spojemJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.. V roce 2021 oznámila Čína, že má funkční kvantový počítač s 66 qubity, který je neporovnatelně rychlejší než konkurent z IBM. Kvantový simulátor s 256 qubity založenými na neutrálních atomech, který vyvinula harvardská skupina, se může stát základem procesoru další generace kvantových počítačů. V neposlední řadě se konají i pokusy s prvky budoucího kvantového internetu (viz AB 25/2021). Je zřejmé, že kvantové technologie už nejsou hudbou budoucnosti, ale stávají se žhavou realitou naší současnosti.

Pohled na čínský kvantový počítač Zuchongzhi s 66 qubity.
Zdroj: University of Science and Technology of China.

Nový kvantový simulátor

Ve druhém desetiletí 21. století prováděla experimenty s poli neutrálních atomů excitovaných do vysokých kvantových stavů skupina vědců na Harvardově univerzitěHarvardova univerzita – nejstarší univerzita na území Spojených států, založena byla roku 1636. Sídlí ve městě Cambridge ve státě Massachusetts . Studuje zde kolem 20 tisíc studentů z celého světa. Přijímací řízení trvá jeden rok a ročně je v průměru přijato 7 % žadatelů. Nobelovou cenou bylo oceněno 47 absolventů. a na MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO.. V roce 2017 se jim podařilo vytvořit a ovládat lineární řetězec 51 qubitůQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. realizovaných chladnými rubidiovými atomy (⁸⁷Rb). V další etapě se k výzkumu připojili i vědci ze Stanfordovy univerzity, Kalifornské univerzity v Berkeley, Rakouské akademie věd a dalších institucí. V roce 2021 skupina oznámila vytvoření úspěšného prototypu rovinného pole s 256 qubity. Popišme si jejich kvantový simulátor podrobněji.

Základem jsou ultrachladné neutrální atomy rubidiaRubidium – prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Rubidium je měkký (asi jako vosk), lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od předchozích alkalických kovů je těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Rubidium bylo objeveno roku 1861 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. ⁸⁷Rb. Vlnoplocha laserového paprsku je upravena modulátorem SLM (Spatial Light Modulator, viz následující obrázek) tak, aby ve vakuové komoře, kde probíhají experimenty, vznikla statická dvojrozměrná optická mřížOptická mříž – pravidelně se střídající minima a maxima elektrického potenciálu, jež vznikla interferencí dvou nebo více laserových svazků. – pole optických pinzetOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší., v nichž se usadí rubidiové atomy. Do takto připraveného statického pole potenciálových minim jsou náhodně rozmístěny rubidiové atomy (situace 1 na obrázku). Na scénu přichází druhá sada optických pinzet, která je ovládána dvojicí navzájem kolmých akustických optických odchylovačů AOD (Acoustic Optical Deflector). Tato sada rozmístí atomy pravidelně do mříže tak, aby nikde nebyla prázdná místa či jiné poruchy (situace 2 na obrázku). Konfiguraci mříže lze během řádově 100 ms změnit ze čtvercové na trojúhelníkovou nebo šestiúhelníkovou.

Qubity z neutrálních rubidiových atomů pracují se dvěma kvantovými stavy: základním | g, 5 ⟩ a vysoce excitovaným Rydbergovým stavemRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). | r, 70 ⟩. Mezi oběma stavy existuje dvoufotonový přechod (Δ, Ω) znázorněný na obrázku dole uprostřed. Proto jsou do vakuové komory z obou stran namířeny dva lasery s vlnovými délkami 420 nm (modrofialové světlo) a 1 013 nm (infračervené záření), které umožňují přechody mezi oběma stavy. Každý z rubidiových atomů se chová jako elementární magnet s příslušnými dvěma stavy. Za pomoci obou laserů je vytvořena antiferomagnetickáAntiferomagnetikum – systém spinů ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly různou hodnotu spinu (například opačný směr). Při nízkých teplotách se vytvářejí periodické struktury opačně orientovaných momentů. Příkladem antiferomagnetika může být supravodič URu₂Si₂, dále chróm, slitina železa a manganu nebo oxid niklu NiO. mříž, v níž se střídají atomy s oběma stavy (viz situace 3 na obrázku). Taková antiferomagnetická qubitová mříž má zajímavé vlastnosti jak z hlediska magnetické látky samotné, tak z hlediska uložené informace. Stav qubitů je zobrazován fluorescenčněFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes. (základní stav se zobrazí, Rydbergův nikoli).

Rydbergovy atomyRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). mají extrémně excitovaný stav, což znamená, že vnější elektron je od jádra velmi vzdálený a silně interaguje s okolím. V antiferomagnetických systémech existuje i dalekodosahová interakce, takže je snadné realizovat kvantovou provázanostProvázaný 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. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech. i velmi vzdálených qubitůQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci.. Nahrazení dříve používaných iontů Rydbergovými atomy s sebou nese zásadní průlom v možnostech, jak ovládat vzniklé qubity. Nové uspořádání umožní provádět s qubity operace podle pravidel kvantové logiky a vytvořit tak plně programovatelné qubitové pole, což je zajímavé nejen pro kvantové počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, 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., ale i pro různé kvantové simulátory a různé prvky nových technologií.

Schéma kvantového simulátoru, který vznikl na Harvardově univerzitě. Význam zkratek: SLM (Spatial Light Modulator), AOD (Acoustic Optical Deflector), EMCCD (Electron Multiplying CCD). Zdroj: Harvardova univerzita, Nature.

Video s pohybujícími se postavičkami je názornou ukázkou ovládání jednotlivých qubitů. Fluorescenční zobrazení zviditelňuje qubity v základním stavu. Qubity v Ryd­ber­gově stavu jsou umístěny v tmavých bodech mříže. Zdroj: Harvardova univerzita.

Další vývoj

U nových technologií lze málokdy odhadnout další vývoj. Většinou známe jen hrubé obrysy možného využití a teprve budoucnost přinese další, často zcela netušené možnosti a další technologie. Na prvním místě se nabízí výzkum fázových přechodů v nových magnetických materiálech a technologický posun pro materiálové vědy. Samozřejmě je jen otázkou času vytvoření třírozměrné mříže qubitů. Ale více dimenzí nemusí vždy znamenat pokrok kupředu. Nezapomínejme, že dvoudimenzionální systémy mají některé specifické vlastnosti, které ve třech dimenzích neexistují. Právě za výzkum těchto vlastností byla udělena Nobelova cena za fyziku pro rok 2016 (viz AB 37/2016). Nová pole qubitů mohou být využita ke konstrukci optických atomových hodin. Přesné měření času může ovlivnit další obory, zejména metrologii. Za nejdůležitější je ale považována programovatelnost koherentněKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. se chovajícího pole qubitů. Výzkum pravděpodobně povede k novému hardwaru pro účinné kvantové algoritmy. Ty pak umožní simulovat složité problémy v chemii a ve fyzice a dají vzniknout zcela novým metodám ve výpočetní technice. Kvantový simulátor vyvinutý na Harvardu je jen jedním z mnoha kamínků revoluce kvantových technologií, která se na nás hrne ze všech stran. Odhadnout její plný dopad na naši civilizaci v tuto chvíli možné není.

Představa qubitu pro začátečníky. Zdroj: Lidová tvořivost na internetu.

Odkazy