Udržet kvantovou koherenci je klíčový problém při vývoji kvantových počítačů. Od extrémního chlazení na téměř absolutní nulu až po sofistikované metody opravy chyb - prozkoumejte fascinující techniky, které vědci používají k ochraně křehkých kvantových stavů před rušivými vlivy okolního světa.
Základní technikou, která se používá hlavně u supravodivých qubitů, je co nejnižší teplota okolí – a když mluvíme o co nejnižší teplotě, myslí se tím teploty pod 20 milikelvinů, tedy opravdu jen velmi těsně nad absolutní teplotní nulou. Čím je teplota nižší, tím jsou kvantové efekty výraznější – problém spočívá v tom, že se takto extrémně nízké teploty udržují opravdu velmi obtížně, protože nedosahují ani hodnot vakua vesmírného prostoru.
Proto se často mluví o „vysokoteplotní supravodivosti“, což zní skvěle, ale ve skutečnosti označuje teploty nad 3 kelviny, což je jen o něco více než teplota vakua ve vesmíru (2,7 kelvinu, -270°C). Tato teplota je, alespoň teoreticky, poměrně snadno dosažitelná, otázkou však zůstává, zda bude stačit pro udržení podmínek nezbytných pro kvantové výpočty. I tak ale vyžaduje jak pokročilé materiály, tak i mechanismy korekce kvantových výpočtů (QEC, Quantum Error Correction). Ideálním cílem je supravodivost a zachování kvantových vlastností za pokojových teplot, k čemuž máme bohužel podle všeho ještě velmi daleko – a tak se musíme spokojit s pokroky u „vysokoteplotní“ supravodivosti, která stále vyžaduje v pozemských podmínkách poměrně extrémní chlazení.
Jinou technikou je aktivní udržování v koherentním stavu (dynamic decoupling), které se snaží zachovat kvantovou koherenci tím, že aktivně eliminuje vlivy okolí. Pomocí laserových pulzů, které mohou být jednorázové nebo se mohou odehrávat v celých sériích, se systém snaží odstranit vlivy způsobující dekoherenci a obnovit koherentní stav qubitů. Dalo by se to přirovnat například k aktivnímu potlačení hluku u moderních sluchátek, kdy se řídící systém pokouší kompenzovat rušivé jevy okolí. Jde o rafinovanou a velmi pokročilou techniku, která nabízí možnosti dalšího vylepšení a může představovat praktickou cestu vpřed. Musí se ale provádět velmi opatrně, protože nedokonalá snaha o kompenzaci vlivů okolí může paradoxně do systému vnášet další chyby.
Pravděpodobně nejdůležitější technikou je využívání většího počtu qubitů, které slouží k detekci chyb. V jednom z navrhovaných kódování odolného proti chybám (Steane code) se každý virtuální qubit kóduje pomocí sedmi fyzických, navzájem provázaných qubitů. V klasických systémech se chyby eliminují tím, že pozorujeme stavy paměti a výpočtu a testujeme, zda je jejich stav správný, to ale u kvantových počítačů není možné, protože měřením qubitů dochází ke kolapsu jejich vlnové funkce a tedy ke ztrátě jejich původního stavu.
Proto se využívají pomocné qubity (ancilla qubits), které jsou provázané (entangled) se sedmi fyzickými qubity tak, že každý pomocný qubit je svázaný s jinou kombinací fyzických qubitů. Měřením pomocných qubitů je možné nejen detekovat chyby, ale také poznat, k jakému typu chyby došlo a tuto chybu kompenzovat.
Základní chyby, které qubity postihují, jsou změna stavu (bit flip error) a změna fáze (phase flip error) – všechny ostatní chyby vznikají skládáním těchto základních typů. Na tom jsou založeny mechanismy detekce a opravy, ale ty mají také svoje limity – například u systému sedmi fyzických qubitů je možné detekovat a opravit chybu na jednom z nich, ale ne na celé podmnožině.
Abychom mohli opravovat rozsáhlejší chyby, které se objeví na celých podmnožinách fyzických qubitů, potřebujeme přidávat další a další fyzické qubity. Problém spočívá v tom, že pokud chceme opravdu velmi spolehlivě fungující qubity s pravděpodobností nedetekované chyby nižší než 10^-15, potřebujeme až deset tisíc fyzických qubitů, což značně komplikuje situaci a výrazně zvyšuje nároky na počet fyzických qubitů, kterými kvantový počítač disponuje.
Pokrok se skrývá jak v tvorbě stabilnějších qubitů, tak i v efektivnějších metodách korekce chyb, které by mohly snížit počet fyzických qubitů potřebných pro stabilní provoz virtuálních qubitů. V současnosti vstupujeme do fáze, kdy se počítá s běžným zarušením a přítomností chyb za provozu. Tyto kvantové počítače se označují jako NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) a lze u nich demonstrovat schopnost spolehlivého chodu i s chybami.
Hledání lepších a stabilnějších qubitů stále pokračuje – a je možné, že bude vyžadovat novou materiálovou revoluci, abychom dosáhli strojů, které problém se šumem vyřeší. Jak daleko jsme od tohoto cíle, nevíme. V dubnu 2024 vědci z Microsoftu ve spolupráci s firmou Quantinuum oznámili, že se jim podařilo vytvořit logický qubit, kterému stačí pro funkci pouze čtyři fyzické qubity. Kritici ovšem upozorňují, že to funguje jen ve speciálních případech, které nepokrývají všechny chyby, jež mohou nastat v univerzálním kvantovém počítači.
Michal Rybka
Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.
