Nepřítel číslo jedna: Dekoherence

Co je kvantová koherence?

Pojem koherence u kvantových systémů označuje stav, kdy si kvantový systém dokáže zachovat svoje unikátní vlastnosti, tedy schopnost udržovat částice v superpozici a udržovat jejich vzájemné vztahy, jako je kvantové provázání. Takový stav je ideální pro kvantové výpočty, ale v praxi není dlouhodobě udržitelný, protože qubity stále interagují s okolím a tím svou vzájemnou koherenci ztrácejí.

Trochu se to podobá horké kapalině v nádobě – protože se nachází v nádobě, předává kapalina nádobě svoje teplo a tím se ochlazuje. Reálná kapalina ve skutečném světě neustále interaguje s okolím, a proto si nemůže trvale zachovat svoji teplotu. Podobně i koherentní kvantové systémy reagují na svoje okolí, ztrácí svou koherenci, přestávají mít žádané kvantové vlastnosti a začnou se podobat klasickým systémům.

Udržení koherence v různých typech kvantových počítačů

Doba, po kterou se daří udržovat kvantovou koherenci, se liší systém od systému. Jednotlivé konstrukce kvantových počítačů mají svoje pozitiva a negativa – a ta se projevují nejen ve snadnosti manipulace s qubity, ale i ve schopnosti udržet stav kvantové koherence. U supravodivých qubitů u špičkových kvantových počítačů IBM a Google se dá stav kvantové koherence udržovat asi deset až sto mikrosekund, což hodně souvisí s použitými materiály.

Systémy využívající spin částic, tedy obvykle elektrony (spin qubits), umožňují udržet koherenci v milisekundách až v sekundách. Qubity tvořené neutrálními atomy lze udržovat ve stavu koherence sekundy až celé minuty, což závisí na mechanismu zachycení a izolace atomů. Systémy využívající iontové pasti (trapped ions) dovolují udržovat koherenci v řádu minut – rekordní hodnotou je skoro hodina, za což ale platíme výrazně nižší rychlostí provádění operací.

Výzvy izolace kvantových systémů

Systémy kvantové fotoniky (photonic qubits) mají teoreticky neomezenou koherenci, ale pouze pokud se pohybují ve vakuu nebo v prostředí, kde nedochází k významným interakcím s okolím, jako jsou například optická vlákna.

Dekoherence qubitů souvisí s tím, jak dokonalou se podaří udržet jejich izolaci, tedy jak výrazně ovlivňuje qubity jejich okolí. Obecně se dá říci, že nezávisle na principu qubitů je důležité, aby se qubity držely izolované od interakcí s okolím, což souvisí s mechanismem jejich zachycení a izolace, ale také s teplotou, která negativně ovlivňuje koherenci, a s dalšími vlivy, jako jsou mechanické vibrace, přítomnost elektromagnetických vln a další jevy.

S nadsázkou by se dalo říci, že kvantové počítače jsou takovou „princeznou na hrášku“ počítačového světa, kde i relativně malé zdroje rušení mají dopady na schopnost udržet nebo neudržet koherentní stav, který je potřeba pro provádění kvantových výpočtů.

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.