Student World

***tisková zpráva ČVUT 

Tým odborníků z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze ve spolupráci s německými kolegy vedenými profesorkou Christine Silberhorn z Ústavu Maxe Plancka v Erlangenu vydal ve včerejším vydání prestižního časopisu Science článek o experimentu z oboru kvantové fyziky. Konkrétně se jedná o simulaci kvantové dynamiky pomocí světla. Podle autorů je jejich experiment významným krokem ke kvantovému počítači založenému na kvantovém procházení. Tyto počítače se označují jako počítače nové generace, protože využívají „hardwarově“ kvantově mechanické vlastnosti částic, například elektronů, atomových jader nebo světla.

Miniaturizace elektronických součástek postupně naráží na hranice, při kterých se musí začít respektovat zákony mikrosvěta – zákony kvantové mechaniky. Existence této hranice vedla k úvahám, které daly základ kvantové informatice a myšlence kvantových počítačů. Ty jsou ze své podstaty výkonnější než nejrychlejší klasické počítače, neboť pracují na zcela jiných principech. V současnosti jsou ale spíše teoretickou konstrukcí než realitou. Doba, kdy si uživatel koupí kvantový počítač, je ještě dost vzdálená.

Momentálně existuje několik konkurujících strategií, jak takový počítač realizovat. Nejpokročilejší je v tomto ohledu přístup používající uvězněné ionty. Experiment tohoto druhu je velice náročný a vyžaduje veliké investice. Přístup odborníků z ČVUT je naproti tomu realizovatelný s běžně dostupnými optickými elementy a moderními detektory. Realizace kvantového počítače pomocí světla představuje oproti konkurenčním návrhům řadu výhod. Uspořádání je většinou jednoduché, v mnoha ohledech stabilnější a méně citlivé na vnější vlivy. Jedním ze slibných kandidátů pro optickou realizaci kvantového počítače jsou kvantové procházky, na nichž je založen návrh odborníků z ČVUT.

„Námi navržený a realizovaný experiment je založený na takzvané dvourozměrné kvantové procházce, která nám mimo jiné umožňuje napodobovat dynamiku dvou kvantových částic a studovat dopad jejich vnitřních vlastností na jejich pohyb v prostoru. Jedná se o světově první realizaci kvantové procházky v rovině,“ říká prof. Igor Jex z katedry fyziky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze, který se na experimentu podílel. Při experimentu odborníci mj. demonstrovali, že dva bosony (částice s celočíselným spinem) vykazují silnou tendenci se shlukovat, jakmile se během časového vývoje setkají. V případě atomů (které mohou vykazovat podobné chování jako bosony) vede tento druh interakce ke tvorbě molekul.

Experiment dokazuje, že nám příroda nabízí řadu triků, jak uchopit některé složité kvantově mechanické jevy, tolik typické pro mikrosvět. Podobnost mezi základními vlastnostmi světla a vlnovou povahou kvantových částic poskytuje možnost simulovat procesy, které jsou jen těžko dostupné v mikroskopických, plně kvantových experimentech.

Realizace experimentu probíhala v laboratořích Ústavu Maxe Plancka v německém Erlangenu. „Naše skupina se účastnila návrhu experimentu, zpracování a interpretace získaných dat. Experiment je výsledkem několikaleté spolupráce se skupinou profesorky Christine Silberhorn. V průběhu těchto let se nám podařilo postupně publikovat několik společných prací v prestižních fyzikálních časopisech. Publikace v Science je ale doposud největší úspěch. Samotný experiment trval zhruba půl roku a článek byl zaslán do redakce 23. prosince 2011. Experiment splnil naše očekávání, trochu nás překvapila bezproblémovost realizace. Tento fakt nám opravňuje k optimizmu, že následné experimenty budou podobně úspěšné,“ vysvětluje prof. Igor Jex.

Potenciál experimentu je v jeho jednoduchosti a flexibilitě a dá se dále výrazně posílit využitím světla s ryze kvantovými vlastnostmi. Tato cesta na svém konci slibuje zpřístupnění detailního studia vysoce komplexních systémů, vztahu mezi klasickou a kvantovou fyzikou a dokonce i (v blízké budoucnosti) realizaci kvantových algoritmů založených na kvantových procházkách. Takový experiment by představoval výrazný – průlomový krok – na cestě ke kvantovému počítači. „Zatímco praktická stránka kvantových počítačů je na začátku, kvantová informace a kvantové počítače výrazně ovlivnily naše chápání teorie informace a teorii algoritmů. Ohledně praktických aplikací se dá docela realisticky očekávat výrazný pokrok v oblasti kvantové kryptografie,“ dodává prof. Igor Jex.

Publikovat v  americkém Science je pro vědce vysoce prestižní záležitost. Ve vědeckém světě je považováno za velice slušný úspěch svědčící o skutečně mezinárodně viditelné kvalitě výzkumu. Publikace je společným dílem a výsledkem několikaleté spolupráce mezi skupinou profesorky Christine Silberhorn a skupinou kvantové optiky a informace na katedře fyziky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Z německé strany byl experiment realizován A. Schreiberem a Kaisou Laiho z Finska. Podporu ohledně teorie poskytl P. Rohde z Austrálie. Za českou stranu se dále projektu zúčastnil Dr. M. Štefaňák, Dr. C. Hamilton (Skotsko), Dr. A. Gábris (Maďarsko) a Ing. V. Potoček. Velice potěšitelné je, že se jedná o mladé talentované vědce s velkou budoucností, kteří na katedře fyziky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze působí.

Abstrakt článku najdete na http://www.sciencemag.org/ pod názvem „A 2D quantum walk simulation of two-particle dynamics“.

autor