Prestižní ocenění
Nobelova cena za fyziku: zkrocené kvantové jevy

Letošní Nobelovu cenu za fyziku získal francouzský fyzik Serge Haroche a jeho americký kolega David J. Wineland za využití světla pro studium jednotlivých kvantových částic a manipulaci s nimi. Jejich výzkum otevírá mimo jiné cestu ke kvantovým počítačům.

V měřítku jednotlivých částic se svět chová jinak, než nám napovídá selský rozum. Fyzikální zákony makrosvěta v něm zdánlivě přestávají platit a vládu nad částicemi přebírají zákony kvantové mechaniky. Z nich mimo jiné vyplývá, že kvantové částice nelze přímo pozorovat, aniž bychom změnili jejich vlastnosti a tím měření znehodnotili. Oba letošní laureáti nezávisle na sobě se svými týmy vyvinuli metody, které umožňují toto omezení obejít.

Studium a manipulace s jednotlivými kvantovými částicemi umožňuje mimo jiné konstrukci kvantových počítačů nebo hodin až stokrát přesnějších než atomové hodiny využívající kmitání atomů cesia.

David Wineland (68) z National Institute of Standards and Technology a z University of Colorado v Boulderu vyvinul metodu umožňující uvěznit ionty v pasti tvořené elektrickým polem a měřit jejich vlastnosti pomocí fotonů. Uvězněné ionty nejprve ve vakuu a při teplotě blízké absolutní nule (-273 °C) ostřeloval krátkými laserovými pulsy, čímž potlačil jejich tepelný pohyb.

Další laserový puls potom popostrčil iont do superpozice, v níž současně zaujímá dva kvantové stavy najednou (cosi v makrosvětě nepředstavitelného). Může například zaujímat zároveň dvě kvantové hladiny, přičemž jen náhoda rozhoduje o tom, do které z nich se superpozice nakonec "zhroutí".

Serge Haroche (68), působící na pařížské Collège de France a na Ecole Normale Supérieure, pro změnu uvěznil fotony a studoval je pomocí atomů. Fotony s energií odpovídající mikrovlnné části elektromagnetického spektra nechal kmitat v asi tři centimetry širokém prostoru mezi dvěma zrcadly tvořenými supravodivým materiálem a ochlazenými na teploty těsně nad absolutní nulu.

Jednotlivé fotony vydrží takto kmitat asi desetinu sekundy, než jsou některým ze zrcadel pohlceny. Zdá se to málo, ale za tu dobu urazí mezi zrcadly dráhu odpovídající cestě kolem světa. Zdánlivě krátká doba stačí k tomu, aby fyzikové pomocí atomů jednotlivě vysílaných do pasti měřili vlastnosti těchto fotonů a manipulovali s nimi.

Jak pracuje kvantový počítač?

Kvantové počítače zatím existují jen jako experimentální zařízení se směšným výkonem. V budoucnu by však mohly během chvíle vyřešit úlohy, na které by nejvýkonnější superpočítače dneška potřebovaly více času, než je dosavadní stáří vesmíru.

Zatímco v klasickém počítači se o výpočty starají miliony elektronů protékající tranzistory, kvantový počítač pracuje s jednotlivými částicemi. To před fyziky a inženýry otevírá nové možnosti. Bit, základní jednotka informace, v klasickém počítači nabývá pouze dvou hodnot: 0 nebo 1. Do nul a jedniček lze zakódovat cokoli - zdrojový kód programu, text, tabulky, fotografii, hudbu, video... Kvantový bit (qubit), reprezentovaný jediným fotonem nebo iontem, může nabývat libovolných hodnot mezi nulou a jedničkou.

"Qubit si můžeme představit jako povrch koule. U klasického bitu jsou na ní jen dva póly - nahoře jednička, dole nula. Kvantový bit může být kdekoli na povrchu," nabízí metaforu teoretický fyzik Martin Plesch, který se na brněnské Masarykově univerzitě věnuje kvantovým výpočtům. Při provádění výpočtu se qubit může na pomyslné kouli libovolně posouvat.

Qubit navíc může být v superpozici (viz výše). Zjednodušeně řečeno, může představovat jedničku i nulu zároveň. Zatímco do dvou bitů lze zakódovat vždy jen jedno ze čtyř čísel (00, 01, 10, 11), dva qubity mohou reprezentovat všechna čtyři čísla zároveň. Lze proto paralelně provádět mnohem více výpočtů. Superpozici ilustruje slavný Schrödingerův myšlenkový experiment s kočkou:

Kvantové počítače by dokázaly velmi rychle rozložit velká čísla na součin prvočísel. Pro běžné počítače je to obrovský problém, proto se metoda založená na prvočíslech používá k zabezpečení elektronických dat. "I relativně malý a nevýkonný kvantový počítač, který by nedokázal spustit Microsoft Word, by bez problémů prolomil všechny systémy založené na tomto typu bezpečnosti," vysvětluje Martin Plesch.

Největší sílu kvantových počítačů však vidí v simulaci biologických a chemických procesů. Vědci zatím nedovedou příliš předvídat vlastnosti nově vytvářených látek - třeba potenciálních léčiv. Musí je nejprve syntetizovat a pak zkoumat jejich chování. Počítačové simulace narážejí na malý výkon počítačů. "I na relativně jednoduché molekuly se dnes používají sálové počítače za stovky milionů korun," říká Plesch. Právě tento typ úloh by kvantový počítač řešil velmi efektivně. Bylo by tak možno studovat například chování molekul nebo virů v lidské buňce nebo vytvářet umělé neurální sítě napodobující procesy v lidském mozku.