Teleportace: Důležitý krok ke zvýšení výkonnosti kvantových počítačů

Datum 17.07.2020

Vědci zkoumají nové způsoby vytváření kvantově-mechanických interakcí mezi vzdálenými elektrony. Výzkum představuje důležitý pokrok v kvantové práci na počítačích.

Zatímco teleportace lidí existuje pouze v žánru sci-fi, v subatomickém světě kvantové mechaniky je teleportace možná – i když ne způsobem, který je obvykle zobrazen ve filmech. V kvantovém světě zahrnuje teleportace spíše transport informací než transport hmoty.

Vloni vědci potvrdili, že informace mohou být předávány mezi fotony v počítačových čipech, i když tyto fotony nejsou fyzicky propojeny. Nyní, podle nového výzkumu z University of Rochester a Purdue University, může být možné i teleportace mezi elektrony.

V článku, publikovaném v časopisu Nature Communications, vědci, včetně Johna Nichola, docenta fyziky v Rochesteru a Andrewa Jordana, profesora fyziky v Rochesteru, zkoumají nové způsoby vytváření kvantově mechanických interakcí mezi vzdálenými elektrony. Výzkum je důležitým krokem ke zlepšení kvantového zpracování dat, které má potenciál v technologii, medicíně a vědě.

Kvantová teleportace je ukázkou toho, co Albert Einstein skvěle nazval „strašidelnou akcí na dálku“ – známou také jako kvantové provázání. V takovémto provázání – což je základem konceptu kvantové fyziky – ovlivňují vlastnosti jedné částice vlastnosti druhé, i když jsou částice odděleny velkou vzdáleností. Kvantová teleportace zahrnuje dvě vzdálené, provázané částice, ve kterých stav třetí částice okamžitě „teleportuje“ svůj stav do dvou provázaných částic.

Kvantová teleportace je důležitým prostředkem pro přenos informací v kvantovém zpracování informací. Zatímco typický počítač se skládá z miliard tranzistorů, nazývaných bity, kvantové počítače kódují informace v kvantových bitech nebo-li qubitech. Bit má jednu binární hodnotu, která může být buď „0“ nebo „1“, ale qubity mohou být současně „0“ i „1“. Schopnost jednotlivých quitů současně obsadit více stavů je základem velké potenciální síly kvantových počítačů.

Vědci nedávno prokázali kvantovou teleportaci pomocí elektromagnetických fotonů k vytvoření vzdáleně propletených párů qubitů. Qubity složené z jednotlivých elektronů jsou však také nadějné pro přenos informací v polovodičích.

„Jednotlivé elektrony jsou slibnými qubity, protože se mezi sebou navzájem velmi snadno ovlivňují a jednotlivé elektronové qubity v polovodičích jsou také škálovatelné,“ říká Nichol. „Pro kvantové výpočty je nezbytné spolehlivé vytváření dálkových interakcí mezi elektrony.“

Vytváření provázaných párů elektronových qubitů, překlenující dlouhé vzdálenosti, které jsou vyžadovány pro teleportaci, se však ukázalo jako velmi náročné: zatímco fotony se přirozeně šíří na velké vzdálenosti, elektrony jsou obvykle ohraničeny jedním místem.

Aby demonstrovali kvantovou teleportaci pomocí elektronů, využili vědci nedávno vyvinutou techniku založenou na principech Heisenbergovy výměnné vazby. Jednotlivý elektron je jako tyčový magnet se severním a jižním pólem, který může směřovat nahoru nebo dolů. Směr pólu – například, zda severní pól směřuje nahoru nebo dolů – je znám jako elektronový magnetický moment nebo kvantový spinový stav. Pokud mají určité druhy částic stejný magnetický moment, nemohou být na stejném místě ve stejnou dobu. To znamená, že dva elektrony ve stejném kvantovém stavu nemohou sedět na sobě. Pokud by to udělali, jejich stav by se časem vyměňoval tam a zpět. Vědci použili tuto techniku k šíření provázaných párů elektronů a teleportování svých spinových stavů.

Výsledky připravují cestu pro budoucí výzkum kvantové teleportace zahrnující spinové stavy všech látek, nejen fotonů, a poskytují více důkazů o překvapivě užitečných schopnostech jednotlivých elektronů v qubitových polovodičích.