Qubit

Tento koncept v roce 1995 poprvé představil americký fyzik a informatik Benjamin Schumacher, který tak položil základy teorie kvantové informace.

Vývoj kvantové mechaniky

Historie qubitů je úzce spjata s vývojem kvantové mechaniky ve 20. století. Významným milníkem bylo formulování principu superpozice Erwinem Schrödingerem a následné experimenty s kvantovými stavy částic. V roce 1982 Richard Feynman poprvé navrhl myšlenku kvantového počítače, který by využíval kvantové stavy k výpočtům. Tato vize inspirovala vědeckou komunitu k intenzivnímu výzkumu v oblasti kvantové informatiky.

Fyzikální realizace qubitu může být uskutečněna různými způsoby. Nejčastěji jsou používány supravodivé obvody, zachycené ionty, kvantové tečky nebo jaderné spiny. Každá z těchto implementací má své specifické výhody a omezení. V současnosti nejrozšířenější platformou pro stavbu kvantových procesorů jsou Josephsonovy přechody, především díky své škálovatelnosti a relativně dlouhé koherenční době.

Právě koherenční doba, často označovaná jako Te, je klíčovým parametrem v kvantové fyzice a kvantových technologiích. Určuje, jak dlouho kvantový systém dokáže udržet svůj kvantový stav předtím, než dojde k jeho degradaci vlivem interakce s okolním prostředím. Tento parametr je zásadní především pro fungování kvantových počítačů, kde určuje, jak dlouho můžeme s qubity provádět výpočetní operace, než ztratíme jejich kvantovou informaci.

V různých fyzikálních implementacích qubitů dosahujeme různých koherenčních dob. Například supravodivé qubity, které jsou v současnosti nejrozšířenější platformou pro kvantové počítače, dosahují koherenčních dob v řádu desítek až stovek mikrosekund. Naproti tomu qubity založené na zachycených iontech mohou mít koherenční doby v řádu sekund, ale jsou obtížněji škálovatelné. Jaderné spiny v diamantu představují další zajímavou platformu s potenciálně dlouhými koherenčními dobami i při pokojové teplotě.

Potenciál využití qubitů

V současné době se qubity využívají v experimentálních kvantových počítačích, které demonstrují tzv. kvantovou nadřazenost, tedy překonání schopností klasických počítačů ve specifických výpočetních úlohách. Významného pokroku bylo dosaženo v roce 2019, kdy společnost Google oznámila dosažení kvantové nadřazenosti pomocí 53qubitového procesoru Sycamore. Tento procesor dokázal vyřešit specifický výpočetní problém za 200 sekund, zatímco nejrychlejší klasický superpočítač by podle odhadů potřeboval 10 000 let.

Aplikační potenciál qubitů sahá od simulace komplexních kvantových systémů přes optimalizační problémy až po kryptografii. Zvláště slibné je využití kvantového počítání v oblasti vývoje nových materiálů, léčiv a v chemických simulacích. Kvantové počítače založené na qubitech by mohly významně urychlit výzkum v oblasti katalýzy, návrhu baterií nebo vývoje účinnějších solárních článků.