Kvantové počítače by mohly diskvalifikovat své klasické sourozence

Kvantový entanglement neboli provázání je jev, jehož prostřednictvím se dvě částice stávají nerozvázatelně spojeny, aniž by skutečně navzájem interagovaly. Například dva fotony, které jsou produkovány v jednom experimentu tak, že jeden je polarizován ve vertikální rovině, druhý je vždy polarizován horizontálně bez ohledu na to, jak daleko se nachází.

Toto zdánlivě okultní spojení na dálku - jak tomu říkal Einstein - je důležité pro pochopení základních kvantových jevů, zvláště tam, kde se stýká kvantový a klasický svět. Entanglement otevírá novou epochu v počítačové technice. Klasické počítače ukládají a zpracovávají informace ve formě bitů, které jsou buď ve stavu nula nebo jedna. Kvantové bity, qubity, se ale mohou nacházet ve stavu superpozice obou stavů. Zakódováním informací do kvantových stavů jednotlivých atomů by mohly kvantové počítače získat teoreticky takový potenciál, že poslední model procesoru Pentium by ve srovnání s nimi měl schopnosti počítadla.

Cesta k tomuto cíli je ale velmi náročná. Prvním krokem bylo naučit se řídit kvantové stavy jednotlivých částic, jako je jejich energie nebo spin, a současně zabránit interakci těchto částic s okolním prostředím. Taková dekoherence totiž zruší superpozici a přemění kvantový systém v klasický. Nyní je třeba pokusit se provázat dohromady velký počet částic. Fyzici právě udělali na této cestě významný krok. Přešli od fotonů k iontům. Zatímco fotony nemohou být provázány přímo, protože spolu navzájem výrazně nereagují, ionty mají velkou výhodu v tom, že nesou elektrický náboj a provázání může být uskutečněno přímo působením elektromagnetického pole. Lineární řetězec iontů byl udržován v elektromagnetické pasti a laserem ochlazen na teplotu blízkou absolutní nule. Druhý laser přinutil ionty k pomalému pohybu, tím vznikly vibrace podél celého řetězce, které efektivně spojily atomy. Osvětlením sousedního iontu, který již pocítil vibrace řetězce, se dvě částice dostaly do stavu kvantového provázání. Dosud se tímto způsobem podařilo provázat dvě, tři a čtyři částice.

Američtí vědci udělali další krok vpřed. Vytvořili na polovodičovém čipu iontové pasti, tedy místa, kde se zachycují ionty o velikosti řádově miliontiny milimetru. Ty by mohly umožnit integraci velkého počtu kvantových bitů. Iontová past byla vytvořena v soustavě čtyř střídajících se vrstev galium-aluminium arsenidu a galium arsenidu, tedy dnes již klasických materiálů používaných v optoelektronice. Vytvoření příslušného otvoru tvořícího past a opatření celé sestavy elektrodami je velice náročný technologický proces, není ale nezvládnutelný. Zatím dosáhli rekordu, podařilo se jim provázat osm iontů vápníku v jedné pasti. Doufají, že tento počet se bude rychle zvyšovat, hlavně proto, že jsou schopni litografickou metodou zachytit na čipu tisíce elektrod.

Na první pohled se může zdát, že zatím se pohybujeme v oblasti science fiction, protože k sestrojení funkčního kvantového počítače je třeba zachytit a pracovat s kvantovými stavy milionů atomů. To ale jen na první pohled. Vzpomeňme si jen, jak je to nedávno, co se v polovodičové technice používaly pouze objemové prvky z galia nebo křemíku a dnes, jen několik desítek let později, se běžně manipuluje s jednotlivými atomy nebo ještě menšími částicemi. Rozšíření desítek entanglovaných částic na miliony činí pouhých pět řádů. A to pravděpodobně nebude pro dnešní fyziku nepřekonatelný problém.