Bit, či nebit - qubit
Či už sa nám to páči, alebo nie, vedecké objavy menia svet. Objavy v kvantovej fyzike nie sú a nebudú výnimkou. UNESCO vyhlásilo rok 2025 za rok kvantovej vedy, ktorá bola sformulovaná pred sto rokmi, a kvantových technológií, ktoré sa formujú dnes.
Od myšlienky k technológii a infraštruktúre
Legenda hovorí, že Michael Faraday, ktorý v roku 1821 zostrojil prvý elektrický motor, na otázku o užitočnosti elektriny odpovedal britskému ministrovi financií, že túto vec jedného dňa zdaní. V roku 1888 Nikola Tesla patentoval prenos elektriny striedavým prúdom a v druhej polovici 20. storočia svet pokryla elektrická sieť a elektrické zariadenia.
Samuel Morse patentoval telegraf ešte v roku 1840. O kúskoch informácie (bitoch) sa všeobecne začalo hovoriť až po prácach Alana Turinga (teória strojového počítania) a Claude Shannona (teória komunikácie), zhruba o sto rokov neskôr. Začiatkom 21. storočia zaplavili svet informačno-komunikačné technológie, svet pokryl internet a dnes to vyzerá, že internet sa stal svetom.
V dobrom aj v zlom, para zefektívnila prenášanie hmoty, elektrina prenášanie energie a internet prenášanie informácie. Robiť predpovede, špeciálne o budúcnosti, je ťažké, ale história nás učí, že myšlienke / teórii / vynálezu trvá niekoľko generácií, kým vygeneruje kvalitatívnu celospoločenskú zmenu. Pred sto rokmi fyzika začala odhalovať kvantový svet. Je prirodzené očakávať, že práve ona prinesie ďaľší revolučný skok.
Druhá kvantová revolúcia
V skutočnosti mnoho dnešných zariadení a materiálov máme len vďaka tomu, že “rozumieme” kvantovému svetu. Za všetky spomeňme jadrové elektrárne, tranzistory a lasery. Zdroje energie aj prenos informácie už dnes využívajú dôsledky kvantovej fyziky a preto hovoríme, že kvantová fyzika už istú revolúciu v technológiách priniesla. Ani počítače, ani internet, ani medicínske vyšetrenia, by bez výskumu kvantovým javov, neboli tým, čím sú.
Moderné technológie sú založené na kvantových javoch, ale priamo ich nevyužívajú. Je náhoda, ktoré jadro sa v elektrárni rozpadne. Dôležité však je, že sa nejaké rozpadne a uvoľní sa pri tom energia. Mechanizmus fungovania tranzistora súvisí s kvantovým tunelovaním elektrónov a kvantovou neurčitosťou, ale v obvodoch je dôležité len to, že sa správne vytvorí elektrický prúd a napätie. Laserový lúč je plný fotónov, ale v aplikáciách ide hlavne o energiu, ktorú tento svetelný lúč prenáša ako celok.
Od druhej kvantovej revolúcie očakávame “skutočné” kvantové technológie – zariadenia, ktoré používajú kvantové vlastnosti individuálnych kvantových systémov. Výskum v tejto oblasti začal v poslednej dekáde minulého storočia. Dnes sme vo fáze intenzívnych kvantových inovácií a začínajúcich investícií.
Predstava, že ideme využívať kvantové vlastnosti jednotlivých fotónov a elektrónov znie super. Ale k čomu vlastne? Začnime tým, že si kvantové vlastnosti vymenujeme – náhodnosť, neurčitosť, nerozlíšiteľnosť, nelokálnosť. Vcelku prirodzenou reakciou na tieto vlastnosti je, že optimizmus opadne a objavia sa pochybnosti. Technológie sa nám spájajú so spolahlivosťou, kdežto kvantový svet zjavne ponúka hlavne neistotu. Čo s tým?
Kvantové kúsky informácie
Je mnoho spôsobov ako “mať” jeden bit informácie. Konkrétny spôsob závisí od situácie a použitia. Všetky však majú spoločnú jednu vec. Aj keď je bit informácie abstraktný objekt, tak jeho realizácia sa vždy riadi pravidlami fyziky. Fyzika určuje, ako rýchlo vieme s informáciou narábať, koľko zakódovaná informácia vydrží, ako rýchlo ju vieme komunikovať, ale aj to, koľko energie na to všetko potrebujeme.
Zakódovanie nuly a jednotky do fyzikálneho systému vyžaduje identifikáciu dvoch rôznych stavov tohoto systému. Stavy sú možné “existencie” toho istého systému, ktoré sa líšia hodnotami fyzikálnych parametrov. Kvantové systémy sa tiež vedia nachádzať v rôznych stavoch, a teda sú schopné bit informácie hosťovať. A nielen to. Na jednej strane sa musia vysporiadať s neurčitosťou a náhodnosťou, ale na strane druhej získajú tým aj novú kvalitu. Vďaka nej má zmysel zaviesť koncept kvantového bitu (qubitu) a odlišovať, keď je bit klasický.
Bit vs Qubit
Bit aj qubit majú spoločné, že kódujú maximálne jeden bit informácie. Čokoľvek vieme robiť s bitmi vieme robiť aj s qubitmi, ale nie naopak. Existujú kvantové operácie, ktoré nevieme interpretovať ako transformácie núl a jednotiek. Hovoríme, že vytvárajú superpozície logických hodnôt – stavy, v ktorých qubity nemajú definované konkrétne logické hodnoty. Ak by sme sa ich snažili určiť, tak zistíme, že sú náhodné.
Superpozície však nie sú akési zahmlené číselné hodnoty a vlastnosti medzi nulou a jednotkou. Sú to jasne definované kvantové hodnoty (stavy) qubitu, rovnaké ako tie, ktoré kódujú nulu a jednotku. Kvantové stavy qubitu si vieme zobraziť ako body na povrchu gule – koncové body vektorov smerujúcich zo stredu gule. Komponenty vektora sú však navzájom kvantovo neurčité. Qubit má určenú komponentu iba v jednom smere a môže mať iba dve určité hodnoty, ktoré zodpovedajú stavom s navzájom opačne orientovanými vektormi.
Rozdiel medzi qubitom a klasickým bitom je v tom, koľkými rôznymi spôsobmi dokáže zakódovať hodnoty bitu informácie. V prípade qubitu je tých možnosti nekonečne veľa – ktorákoľvek dvojica navzájom opačne orientované vektorov. V prípade klasického bitu máme možnosti iba dve – môžeme si vybrať, ktorý z dvoch stavov pomenujeme nula a jedna. Výber konkrétneho zakódovanie nuly a jednotky závisí od toho, ktorú komponentu qubitu vieme najefektívnejšie zmerať. Akokoľvek toto kódovanie vyberieme, všetky ostatné stavy sú superpozíciou dvoch vybratých stavov.
Ak by sme chceli qubit simulovať na dnešných počítačoch, tak potrebujeme zahrnúť aj spomínané rozšírenia možných kvantových hodnôt a kvantových logických operácií. Počet parametrov, ktoré potrebujeme, narastá exponenciálne s počtom qubitov a pomerne rýchlo presiahne aj možnosti superpočítačov.
Kvantové technológie
Okrem vylepšenia výpočtovej sily, kvantové technológie majú uplatnenie aj v iných oblastiach. Citlivosť kvantových systémov na vplyvy okolia ich priam predurčuje na využitie pri vývoji nových meracích senzorov (gravimetre, magnetometre, a iné). Teoreticky by kvantové senzory vedeli pracovať s kvadraticky menším počtom dát, čo by určite urýchlilo spracovanie signálov, napríklad v robotike, ale aj vo vesmírnych inováciách.
Kvantová neurčitosť intuitívne umožňuje v qubitoch informáciu lepšie ukryť a vytvoriť kvantový kryptosystém, ktorého bezpečnosť je založená na platnosti fyzikálnych princípov. Dnes sme v štadiu budovania experimentálnej kvantovej komunikačnej infraštruktúry, t.j. kvantovej komunikačnej vrstvy v internete. Okrem pozemného segmentu sa pripravuje aj vypustenie družíc, ktoré by podporili globálny kvantovo-zabezpečený prenos informácie. O niekoľko desaťročí môže byť kvantová kryptografia štandardom, ktorý bude neprelomiteľným spôsobom zabezpečovať tie najcitlivejšie dáta.
Kvantový počítač je hlavným cieľom vývoja kvantových technológií. Nevieme povedať, kedy tento moment príde, a či vôbec. Je však očakávateľné, že v polovici tohoto storočia budeme pri modelovaní využívať kvantové simulátory – kvantové systémy dedikované na isté typy úloh. Tieto zariadenia nám môžu pomôcť pri modelovaní nových materiálov, liečiv a možno umožnia aj kvalitatívny posun ku všeobecnej AI.
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: wikipedia public domain, www.nobelprize.org