Sciencemag.cz
Doporučujeme
Všechny kvantové počítače mají jedno společné: použijeme nějaký kvantový fyzikální systém a změníme jejich stav tím, že jej vystavíte působení velmi specifických sil po určitou dobu. To však znamená, že abychom se mohli spolehnout na správnost výsledku výpočetní operace, potřebujeme co nejpřesnější hodiny.
Zde však narážíme na problém. Každé hodiny mají dvě základní vlastnosti: určitou přesnost a určité časové rozlišení. Časové rozlišení udává, jak malé jsou časové intervaly, které lze měřit – tj. jak rychle hodiny tikají. Přesnost udává, s jak velkou nepřesností je třeba počítat při každém jednotlivém tiknutí.
Vědcům se nově podařilo ukázat, že vzhledem k tomu, že žádné hodiny nemají k dispozici nekonečné množství energie (resp. nevytvářejí nekonečné množství entropie), nemohou mít nikdy dokonalé rozlišení a dokonalou přesnost zároveň.
Kroky kvantového výpočtu jsou jako rotace
V našem klasickém světě nejsou dokonalé aritmetické operace problémem. Můžeme například použít počítadlo, ve kterém jsou dřevěné kuličky navlečeny na tyčku a posouvány sem a tam. Dřevěné kuličky mají jasné stavy, každá z nich je na zcela konkrétním místě, a pokud nic neuděláme, kulička zůstane přesně tam, kde byla. To, zda korálkem pohybujeme rychle nebo pomalu, nemá na výsledek vliv. V kvantové fyzice je to ale složitější.
„Matematicky řečeno, změna kvantového stavu v kvantovém počítači odpovídá rotaci ve vyšších dimenzích,“ říká Jake Xuereb z Vídeňské technické univerzity a první autor článku publikovaného ve Physical Review Letters. „Aby bylo nakonec dosaženo požadovaného stavu, musí být rotace aplikována po velmi specifickou dobu. V opačném případě otočíte stav buď příliš blízko (málo), nebo příliš daleko.“
Každé měření času je navíc nevyhnutelně spojeno s nárůstem entropie: například hodiny potřebují baterii, jejíž energie se nakonec prostřednictvím mechaniky hodin přemění na teplo tření a slyšitelné tikání – proces, při němž se poměrně uspořádaný stav baterie přemění na poměrně neuspořádaný stav tepelného záření a zvuku. Na tomto základě byl výzkumný tým schopen vytvořit matematický model, kterému se musí podřídit v podstatě každé myslitelné hodiny. „Pro daný nárůst entropie existuje kompromis mezi časovým rozlišením a přesností,“ říká Florian Meier, první autor druhého článku, který je nyní zveřejněn na preprintovém serveru arXiv. „To znamená, že buď hodiny pracují rychle, nebo přesně – obojí současně není možné.“
To s sebou přináší další limit pro kvantové počítače: rozlišení a přesnost, které lze dosáhnout pomocí hodin, omezuje rychlost a spolehlivost kvantových počítačů. V současné době je přesnost kvantových počítačů stále více omezena jinými faktory, například přesností použitých součástek nebo elektromagnetických polí (poznámka PH: nebo počtem entanglovaných qubitů, maximální možnou dobou trvání výpočtu, chybovostí kvantových operací…). Podle autorů studie však dnes už nejsme daleko od bodu, kdy základní limity měření času začnou hrát podstatnou roli…
Florian Meier et al, Fundamental accuracy-resolution trade-off for timekeeping devices, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2301.05173
Zdroj: Vienna University of Technology/Phys.org, přeloženo/zkráceno
