Kvantové počítače a kvantové sítě: Konečně propojení?

Kvantová výpočetní technika, technologie zpracování, která je naplněna podivnostmi subatomární fyziky, se pomalu stává skutečností. Telekomunikační gigant zkoumá technologii pro propojení kvantových počítačů a doufá, že jejich výkon zesílí tak, jak dřívější propojení konvenčních počítačů vedlo k masivním superpočítačům a službám šířeným po celém světě. Kvantové sítě by mohly vést k podobnému skoku pro kvantové počítače a možná by tvořily základ pro kvantový internet.

 

Magazín

 

Společnost AT&T, která se vrhla na "kvantový výzkum" a přinesla zajímavé výsledky, ale neočekává, že tuto technologii uvede na trh v brzké době. Místo toho se snaží přijít na to, co by mohlo být možné, a přiblížit to komerční realitě prostřednictvím partnerství s názvem Intelligent Quantum Networks and Technologies (INQNET). Práce zahrnuje výzkumníky z Kalifornského technologického institutu, Stanfordské univerzity, národních laboratoří, startupů, vojenských a dalších institucí.

 

Qubity mohou spolupracovat

Fyzika ohýbání mysli kvantové mechaniky, která řídí fungování atomů a menších částic, je dobrá pro více než jen superhrdinské zápletky filmu. Je také velmi vhodná pro výpočetní potřeby při navrhování nových léčivých přípravků, optimalizaci finančních investic a rozluštění dnešního šifrování. 

Qubit, základní prvek kvantového zpracování, umožňuje přenos více informací než běžné počítačové procesory, které zpracovávají data jako bit - stav 1 nebo 0. Kvantové počítače používají qubity, které mohou ukládat více stavů současně . Cílem kvantové sítě je propojit qubity na více kvantových počítačích. Podle AT&T by se dalo povolit, aby qubity vzájemně spolupracovaly, jako by byly vedle sebe.

 

 

Výhody kvantové práce na počítači

Pokud vědci zbourají tuto výzvu, pak kvantové sítě mohou dovolit:

• Propojení více strojů dohromady, aby bylo možné vyřešit větší problémy, podobně jako dnes může více klasických počítačů sdílet databáze nebo spolupracovat na výpočtech.
• Vytvořit síť kvantových senzorů, které přivádějí data do kvantového počítače. Mohly by to být akcelerometry pro detekci pohybu v supercitlivém gravitačním výzkumu nebo navigaci. Kvantové snímání je v blízké době mnohem lépe proveditelné než komplikovanější kvantová komunikace.
• Zabezpečená komunikace. S kvantovými sítěmi budeme vždy vědět, jestli někdo odposlouchává. Není možné totiž duplikovat kvantový stav, takže je nemožné, aby se odposlouchávač lokalizoval na komunikační spojení kvantové sítě.
• Možnost pro konkurenty, aby spolupracovali na bezpečném výpočtu více stran, ve kterém by mohla být data z každého z nich kombinována pro výpočty, aniž by strany odhalily jejich tajemství.

 

Qubits a superpozice

Qubity, kterými jsou ve skutečném světě typicky atomová jádra, fotony nebo jiné malé částice, získávají svou moc prostřednictvím konceptů zvaných superpozice a zamotání (zapletení). Společně exponenciálně zvyšují množství datových bitů, které lze ukládat a zpracovávat. Superpozice znamená, že jediný qubit může uložit nejen 0 nebo 1, jak to dělá klasický bit, ale ve skutečnosti oba současně. Je to jako světlo, které je zapnuto i vypnuto současně. Dva qubity mohou ukládat čtyři stavy současně, tři qubity mohou ukládat osm stavů, čtyři qubity mohou ukládat 16 a tak dále. 

Zamotání spojuje tyto qubity dohromady, takže když provádíte nějakou operaci zpracování, provedete ji na všech možných kombinacích 0 a 1 z těchto qubitů současně. Jinými slovy, rozdíl mezi klasickým a kvantovým výpočtem je, že čtyři bity mohou uložit jedno ze 16 možných čísel, zatímco čtyři qubity mohou uložit všech 16. 

 

 

Kvantová vazba na dálku funguje

Díky superpozici a zamotání a ohromnému množství drahého hardwaru, který jim umožní spolehlivou práci, mohou kvantové počítače rychle prozkoumat obrovské množství možných řešení problému. Toto potenciální zvýšení výkonu je důvodem, proč společnosti jako IBM, Rigetti Computing, D-Wave a Google bojují o to, aby na kvantové čipy zahrnuly co nejvíce qubitů.

Zamotání je důležité také pro kvantové sítě, protože funguje i pro oddělené qubity. Propojení dvou kvantových počítačů nebo kvantových čipů při zachování jejich kvantových stavů je aktivní oblastí výzkumu. Akademický výzkum ukázal, že kvantová vazba na dálku funguje také. Ale protože kvantová síť je stále ve velmi rané fázi výzkumu, měli bychom spíše očekávat pokrok v izolovaných kvantových počítačích.

 

První kroky v kvantové síti

Kvantové senzorové sítě jsou pravděpodobně první kvantovou síťovou aplikací. Ke komunikaci s kvantovými počítači jsou používány elektromagnetické signály na jedné frekvenci. Ale pro přenos kvantových dat po optických linkách potřebujete fotony s jinou frekvencí. Je potřeba převodová technologie, která převede data z jedné frekvence na druhou. To znamená, že data odesílaná v kvantových sítích budou muset projít dvěma frekvenčními převody, aby se mohla posílat data z jednoho počítače do druhého, což je velmi obtížné, ale podle AT&T nikoliv nemožné.

Mohou se spojit kvantové počítače s obyčejnými starými klasickými sítěmi - ve skutečnosti se tak používají dnešní kvantové počítače. Převod kvantové komunikace na klasickou ji však zpomalí a obětuje zvláštní výhody propletení kvantových dat. Proto vědci AT&T chtějí kvantové vazby. Konečným cílem společnosti je vybudování kvantového internetu. Překonání výzev fyziky a strojírenství je obrovské, ale úspěch by mohl otevřít zásadně nové schopnosti ve vědě a technologii.

 

 

Připravil: Radek Svoboda

Sdílet: