Prototyp modulu kvantového počítače. Kredit: Ion Quantum Technology Group, Univ. Sussex.

Stýská se vám po ohromných sálových počítačích, ze kterých doslova sálaly jejich výpočetní schopnosti? Tak to nejspíš uvítáte nový návrh kvantových fyziků, kteří chtějí postavit kvantový počítač větší než fotbalové hřiště. Měl by využívat soudobé technologie a bravurně řešit dnes nezvladatelné úlohy, kde je potřeba tzv. "faktorizaci" - rozklad na součin prvočinitelů. Tento odvážný kvantový návrh se v těchto dnech objevil na webu online časopisu Science Advances.

Winfried Hensinger (vpravo) při výrobě prototypu. Kredit: University of Sussex.

Šéf badatelského týmu kvantový fyzik Winfried Hensinger z britské Univerzity v Sussexu připouští, že je to dost odvážné. Takový počítač by byl vážně veliký. A stál by přinejmenším 126 milionů dolarů. Ale, jak Hensinger zdůrazňuje, mohli bychom s tím začít klidně už zítra. Všechny potřebné technologie máme. Podle kvantového fyzika Andrei Morella z Univerzity Nového Jižního Walesu v australském Sydney to není první návrh, jak postavit praktický kvantový počítač. Zároveň je prý jasné, že jeho případná stavba nebude jednoduchá. Ale Morello přiznává, že na něj návrh Hensingerova týmu udělal dojem. Prý je přelomový a ovlivní vývoj kvantových počítačů na celé roky dopředu. Fyzik Christopher Monroe z Marylandské univerzity by si zase přál, aby komunita kolem kvantových počítačů takhle velkolepě uvažovala častěji.

Ilustrace qubitu z uvězněného iontu vápníku. Kredit: APS/Alan Stonebraker.

Kvantové počítače se zvolna proměňují z vysněných přízraků na reálně existující stroje. Pokud se nám povede je zprovoznit ve velkém stylu, tak by měly některé výpočty zvládat exponenciálně rychleji než klasické počítače. Ve světě dnes soupeří vědecké týmy, které se snaží postavit použitelný kvantový počítač. Obvykle ale vyvíjejí počítače s pár desítkami qubitů, kdežto k praktickému využití pro výpočty bude nejspíš nutné vytvořit kvantový počítač s mnoha tisíci a miliony qubitů.

Hensingerův tým navrhuje použít jako qubity ionty polapené v magnetické pasti. Na této technologii už fyzici pracují přes 20 let a prakticky všechny potřebné komponenty takového kvantového počítače už prý jsou k dispozici. Teď už jde jenom o to, aby někdo postavil počítač s ohromujícím výkonem. Klíčem k úspěchu bude překonání praktických problémů, které by takovou konstrukci doprovázely – jako například vyřešit odpadní teplo, vznikají provozem kvantového počítače anebo zkonstruovat strmé gradienty silných magnetických polí. V Hensingerově návrhu tvoří kvantový počítač tisíce kvantových modulů. Čistě teoreticky by z nich bylo možné postavit počítač libovolné velikosti.

University of Sussex.

V každém modulu Hensingerova kvantového počítače by mělo být cca 2 500 qubitů z iontů v magnetické pasti, které budou chráněné před interferencemi, schopnými narušit jejich křehký kvantový stav. Tyto qubity badatelé zamýšlejí kontrolovat nikoliv jednotlivě lasery, ale polem mikrovlnného záření, které by prostupovalo celým počítačem. O chlazení kvantového počítače se postará kapalný dusík. Jednotlivé moduly s qubity by měly být vyměnitelné a zároveň je bude možné vyrobit technologiemi, které jsou dnes dostupné v elektronickém průmyslu.

Hensinger a spol. odhadli, že k tomu, aby vyřešili prvočíselný rozklad, tj. vyjádření součinu mocnin prvočísel, 2048-bitového čísla (čísla s 617 číslicemi), budou potřebovat kvantový počítač s 2 miliardami qubitů. A bude mu to trvat asi 110 dní. Jestli takový kvantový počítač někdo doopravdy postaví, tak prolomí i ty nejlepší soudobé šifrovací systémy. Teoreticky by na zmíněný úkol mělo stačit jenom 4096 qubitů, ale vzhledem k míře chybovosti soudobých technologií s ionty v magnetické pasti, jich bude reálný kvantový počítač potřebovat mnohem víc. Hersingerův tým už pracuje na prototypu, takže se možná brzy dočkáme velkorysých kvantových výpočetních projektů.

Video:  BLUEPRINT for a Large Scale Quantum Computer

Video:  Rise of Quantum Technology: Winfried Hensinger at TEDxSussexUniversity


Literatura
Nature News 1. 2. 2017, Science Advances 3: e1601540, Wikipedia (Trapped ion quantum computer).