Kvantový počítač z pěti atomů

Matematika to je zábava

Odborníci z Massachusettského technologického institutu (MIT) a rakouské Univerzity v Innsbrucku vytvořili demonstrační kvantový výpočetní systém, který se skládá z pouhých pěti atomů.

Tento model může posloužit jako základ pro budoucí výkonnější kvantové systémy, použitelné k dešifrování dnes standardních kódovacích bezpečnostních systémů jako je např šifra RSA.

Principy kvantového počítání

Kvantové procesory fungují jinak než procesory v našich počítačích, založených na klasické, nekvantové fyzice. Normální procesor pracuje s ostrým stavem, který odpovídá buď nule, nebo jedničce, tedy s jedním tzv. bitem. Tomu odpovídá u kvantového počítání neostrý kvantový stav, který může být s určitou pravděpodobností v podstatě v jednom i v druhém stavu zároveň.

Tento kvantový stav je popsán velkou sadou čísel, které se souhrnně říká vlnová funkce. Kvantové počítače proto umějí provést jednu operaci s velkým počtem různých hodnot zároveň. Díky tomuto faktu jsou nesrovnatelně rychlejší než počítače klasické, avšak popsané operace jsou svým způsobem specifické. Často odpovídají úlohám modelování určité situace z mikrosvěta.

Kvantové výpočetní systémy lze ovšem použít i v kryptografii, tedy k prolamování šifer. Jednotce, ve které se tento kvantový stav čili vlnová funkce řízeně mění, se potom říká qubit - kvantový bit. Qubit je tak vlastně složitější kvantovou obdobou klasického výpočetního bitu, tedy výpočetního registru se stavem 0 nebo 1.

Pětiatomový počítač z MIT

Řada šifrovacích systémů je založena na rozkladu nějakého přirozeného čísla na součin prvočísel (tzv. faktorizaci). K rozkladu čili faktorizaci např. čísla 15 pomocí tzv. Shorova kvantového algoritmu z roku 1994 bylo doposud třeba kvantového počítače, vybaveného 12 vzájemně korelovanými qubity.

Odborníkům z MIT a Univerzity v Innsbrucku se však podařilo pro tento účel snížit počet na 5 qubitů, přičemž každý z nich byl realizován jedním atomem či iontem vápníku. Atomové qubity byly přitom stabilizovány a drženy v iontové pasti těsně vedle sebe pomocí laserů. Co je ovšem na tomto systému nejslibnější, dotyčný kvantový počítač bude možno stavebnicovým způsobem zvětšovat čili “škálovat” jej.

To znamená, že i počet vzájemně korelovaných qubitů (tj. atomů a laserů) bude možno zvyšovat, výkon počítače strmě poroste a tím bude moci kvantový systém prolamovat stále složitější a pokročilejší šifry, odvozené z větších čísel. Dnes používané šifry proto už nemusí být výhledově bezpečné, bude-li mít protistrana k dispozici dostatečně výkonný kvantový počítač.

Autorský tým pod vedením profesora Isaaca Chuanga publikoval výsledky své práce na pětiatomovém kvantovém počítači 4. března v časopisu Science.

Zdroje: MIT, Isaac Chuang, IEEE Spectrum, Futurism, Nanotechnology World Association, Youtube, PC World, Science Magazine