Fyzici pomáhají otevírat brány do nového světa ne-Gaussovských kvantových operací

Na obrázku je vizualizace rozdělení amplitud oscilátorů v GKP stavech poprvé realizovaných na ETH Zürich.
Foto: J. Home
Monday 9 August 2021, 8:00 – Text: Šárka Chovancová

Prolomení dalších bariér dosud bránících ovládnutí kvantového světa oscilátorů umožní návrhy dvou klíčových operací pro experimenty se zachycenými chladnými ionty a supravodivými obvody, které připravili kvantoví fyzici z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého spolu s kolegy z Dánské technické university (DTU).

Jejich výzkum může najít významné uplatnění například při konstrukci budoucích kvantových počítačů. Vzájemně se doplňující výsledky těchto kvantových experimentů byly nedávno publikovány v prestižních časopisech Quantum Information ze skupiny časopisů Nature a Physical Review Letters, který vydává Americká fyzikální společnost.

Vědci z Přírodovědecké fakulty UP a DTU přišli s návrhy, které umožňují generovat velmi stlačené stavy atomových a mikrovlnných oscilátorů. Zároveň rozšiřují stavy těchto oscilátorů na výrazně komplexnější superpozice mnoha takových stlačených stavů. Tyto podivné souhrnné superpozice jsou známé jako GKP kvantové stavy. Název je odvozen od jmen světoznámých profesorů D. Gottesmana, A. Kitaeva a J. Preskila, kteří stáli u jejich objevu. GKP kvantové stavy otevírají nejen novou úroveň kvantové senzoriky, ale především umožňují kvantové kódování oscilátorů a dosažení tolik potřebné tolerance vůči chybám způsobeným všude přítomnými malými ztrátami energie. Tyto návrhy jsou nyní předmětem experimentálních testů v zahraničí i ve společných laboratořích katedry optiky Přírodovědecké fakulty UP a ÚPT AV ČR.

„Naše práce představuje důležitý krok ve vývoji nových protokolů pro generování neklasických stavů mikrovlnných polí a zachycených iontů směrem ke konstrukci kvantových počítačů a dalších kvantových technologií. Bylo to možné díky těsné a plodné spolupráci se skupinou profesora Radima Filipa z Přírodovědecké fakulty UP,“ komentoval experimenty s chycenými chladnými ionty a supravodivými obvody profesor Ulrik Lund Andersen z DTU, který stojí v čele velkého dánského vědeckého centra bigQ.

Velký podíl na publikaci výsledků experimentů ve dvou prestižních časopisech patří talentovanému studentovi Jacobovi Hastrupovi z dánského DTU a také zkušenému postdoktorandovi Kiminu Parkovi z katedry optiky přírodovědecké fakulty, který vyvinul základ metod založených na nových kvantových interakcích kontrolujících amplitudy oscilátorů pomocí superpozice kvantových bitů. Tato interakce byla v minulosti využívána ke konstrukci základních bran mezi kvantovými bity pro budoucí digitální kvantové počítače. Díky jejímu technickému rozvoji je v současnosti výhodná i jako klíčová brána pro operace na oscilátorech. Je pojmenována po Isidoru I. Rabim, jednom ze zakladatelů kvantové fyziky.

Sériovým opakováním těchto speciálních bran v určitém sledu je možné připravit celou řadu komplikovaných kvantových stavů oscilátorů, které jsou důležitým předpokladem pro budoucí náročné aplikace. První návrhy, které vznikly ještě v Olomouci, ovšem vyžadovaly příliš mnoho opakování. „Kimin Park přešel na svou druhou postdoktorandskou pozici na DTU. V rámci našeho společného projektu výsledky na sebe nenechaly dlouho čekat. Jejich možnosti jsou v oblasti ne-Gaussovských stavů a nelineárních operací překvapivě mnohem širší. Teď čekají na experimentální testy s ionty u nás a s mikrovlnnými obvody v USA nebo v Singapuru,“ uvedl Radim Filip.

Kimin Park si spolupráci s kvantovými fyziky z Přírodovědecké fakulty UP a DTU pochvaluje. „Bylo pro mě velmi motivující pracovat s týmem bigQ, a to vzhledem k jeho vysokému nasazení, obětavosti a přátelskému stimulujícímu prostředí. Tato metoda umožňuje velmi kvalitní a efektivní generování stavů nezbytných pro kvantovou korekci chyb v protokolu, který již byl implementován v experimentu skupinou J. Home ze společnosti ETH Zurich,“ podotkl.

Výsledky tohoto projektu jsou podle Radima Filipa výborným začátkem nového EU H2020 projektu NONGAUSS v rámci výzvy Twinning, který koordinuje Univerzita Palackého. V rámci tohoto projektu spojily na následující tři roky své síly týmy Radima Filipa, Ulrika Lunda Andersena a také Juliena Laurata z pařížské Sorbonny. Na české straně tento výzkum bude pokračovat díky dalšímu novému projektu EXPRO grantové agentury České republiky a také již běžícímu společnému projektu s Yaleovou univerzitou v USA. „Tyto projekty jsou šancí pro naše studenty přiblížit se ke konstrukci a realizaci klíčových elementů špičkových kvantových technologií,“ dodal Radim Filip.

Back