Olomouc (12. července 2023) – Cestu k výrazně rychlejšímu zpracování dat v optických kvantových počítačích otevřel experiment mezinárodní skupiny vědců, kteří jako první na světě provedli v laboratorních podmínkách potřebné nelineární měření propagujícího se elektromagnetického pole. Právě toto nelineární měření je podle odborníků klíčem k sestrojení superrychlých optických kvantových počítačů. Unikátní experiment je dalším výstupem dlouhodobé spolupráce mezi vědci z Univerzity v Tokiu a Univerzity Palackého v Olomouci a dalších týmů z Austrálie. Výsledky jejich práce byly publikovány v prestižním časopise Nature Communications.
Kvantové počítače využívají kuriózní vlastnosti mikrosvěta atomů a fotonů, zejména princip kvantové superpozice. Díky této schopnosti mohou výrazně překonat rychlost klasických počítačů, které omezeně pracují s klasickými bity založenými na binárních číslicích 0 a 1. Kvantové počítače využijí jejich komplexních superpozic na masivních počtech atomů a fotonů. Pro konstrukci kvantových počítačů vědci zvažují řadu platforem. Vedle supravodivých kvantových bitů a spinů atomů se do popředí jejich zájmu dostávají i velkokapacitní mikrovlnná a optická řešení. Hlavní výhodou optických řešení je, že mohou operovat za pokojové teploty s vysokými opakovacími frekvencemi, a to až v řádu terahertzů. Optické kvantové počítače lze navíc díky moderním technologiím klasické optické komunikace propojovat i na velkou vzdálenost.
Základem fungování optických kvantových počítačů jsou nelineární operace, tedy operace, které provádí operaci násobení mezi určitými vlastnostmi kvantových stavů. Na rozdíl od základních lineárních operací, které pouze sčítají a odečítají, nelze nelineární operace efektivně simulovat na klasických počítačích. Mohou tedy vést na požadované navýšení rychlosti. Nelinearity vědci dosáhli prostřednictvím kombinace rychlých nelineárních výpočtů v digitálních elektronických obvodech a nových stavů světla se silně kvantovými vlastnostmi snižujících šum v nelineárních obvodech. Pomocí měření na velkém vzorku různých stavů světla následně ověřili, že měřicí obvod skutečně provádí požadovanou nelineární operaci.
„V rámci desetileté vědecké spolupráce byla poprvé vyvinuta a verifikována klíčová technologie rychlé a flexibilní nelineární manipulace se stavy světla pomocí elektronické dopředné vazby, která je zásadní pro budoucí využití nejen v optických kvantových počítačích. S její pomocí bylo zkonstruováno nelineární měření využívající tuto rychlou dopřednou vazbu a pomocné stavy světla se silně kvantovými vlastnostmi,“ uvedl profesor Radim Filip.
Použité nelineární elektronické obvody využívají koncept vyhledávací tabulky, pomocí které jsou požadované hodnoty nelineárních funkcí vypočítány předem. V samotném experimentu byly pouze vyvolány z paměti. Tato metoda podle vědců umožňuje vysokou rychlost obvodu, s čímž je spojena potřeba pouze malého optického zpoždění a nízkých ztrát.
Kvalita takového nelineárního kvantového měření kriticky závisí na snížení jeho šumu. „Pro toto nelineární měření jsou zásadní stavy, které mají vhodně potlačené nelineární kvantové fluktuace. V experimentu byly proto využity nelineárně stlačené stavy, poprvé vygenerované naším společným týmem v roce 2021. Pro vyhodnocení měření bylo jako testovací signál využito slabé laserové světlo připravené s 27 různými hodnotami amplitud a rovnoměrně rozdělenou fází. Celkem bylo proměřeno 2,16 milionu bodů. Naměřené výsledky vykazovaly nelineární závislost na vlastnostech signálu podle našich teoretických očekávání,“ podotkl docent Petr Marek.
Celý soubor testovacích stavů a jím odpovídajících výsledků byl použit na rekonstrukci kvantových vlastností detektoru. „Potlačení kvantového šumu navíc přesně odpovídalo nelineárnímu stlačení pomocných stavů. Nelineární měření bylo tedy úspěšně experimentálně prokázáno,“ řekl Petr Marek. „Naše dlouhodobá a unikátní spolupráce s tokijským týmem profesora Furusawy na měřením indukovaných kvantových operacích se světlem pokračuje dále, nejen v tomto směru, ale i paralelně v řadě dalších, přičemž zahrnuje nové generace studentů a mladých vědců. Přitáhla i značnou pozornost na ministerské a diplomatické úrovni, protože kvantové technologie se rychle stávají prioritou všude ve světě,“ dodal Radim Filip.
Kontaktní osoby:
doc. Mgr. Petr Marek, Ph.D. | katedra optiky
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: petr.marek@upol.cz | M: 604 377 237
prof. Mgr. Radim Filip, Ph.D. | katedra optiky
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: radim.filip@upol.cz | M: 773 904 073