Kvantový světelný čip, který lze přeprogramovat

Karel Javůrek  |  Věda

První kvantový počítač je sice již v prodeji, oblast kvantových čipů ale k masivnímu nasazení čeká ještě delší cesta. Využití fotonů v čipu se ale blíží.

V současné době trhu vládnou křemíkové čipy. V nejlepších případech mají až několik miliard tranzistorů a jejich složitost se v pravidelných, přibližně dvouletých intervalech neustále zvyšuje. Na čipech různé architektury a od různých výrobců jsou založena všechna elektronická zařízení. Rychlá miniaturizace, respektive pokročilejší výrobní technologie, umožňují vyrábět stále výkonnější, ale zároveň úspornější a tedy efektivnější čipy.

Díky narůstajícímu výkonu lze řešit stále složitější úlohy. Oproti stavu před pár desítkami let se výkon zvýšil o několik řádů. Miliardkrát větší rozdíl – či ještě větší – za tak krátkou dobu si ani nedokážeme uvědomit.

Křemíkové čipy ale mají řadu limitů. Mezi hlavní patří samotná práce s elektrony, které se v čipu pohybují relativně pomalu. Jedním z nadějných budoucích řešení je využití fotonů pro výrobu takzvaných světelných čipů (lze použít i označení optických, fotonových a podobně). Rychlost fotonů se s elektrony v čipech nedá vůbec srovnávat.

Kvantový světelný čip

Na VTM.cz jsme už psali o tom, že v oblasti světelných čipů došlo k dalšímu milníku. Týkal problému se světelným signálem a jeho odrazy. Výsledkem je optický izolátor, který lze vyrobit v potřebných nanometrových rozměrech a je tak důležitou součástí těchto čipů.

Grafické znázornění optického obvodu a kvantové provázání procházejících fotonů  Zdroj: University of Bristol
Grafické znázornění optického obvodu a kvantové provázání procházejících fotonů Zdroj: University of Bristol

Nedávnou novinkou je pak úspěšný šestiletý vývoj kvantového světelného čipu, který pracuje s kvantovou provázaností. Kvantově spojené částice se chovají naprosto stejně a to na jakoukoli vzdálenost.

Tento čip dokáže takto provázané fotony nejen generovat, ale i měřit a částečně s nimi i manipulovat. To je velmi výrazný pokrok v této oblasti. Vědci už pochopitelně řadu testů s kvantovým provázáním provedli, taková forma integrovaného čipu je ale základem k mnohem složitějším úlohám a především k většímu škálování a budování složitějších obvodů sestavených z menších celků. Díky tomu se může postupně dostat do stádia vhodného i pro běžné použití.

Zdroj: University of Bristol

V roce 2011 se sice poprvé v prodeji objevil kvantový počítač za 10 milionů dolarů, ale jeho 128qubitový procesor chlazený tekutým héliem zvládá pouze jedinou matematickou operaci. Není tak použitelný pro rozsáhlejší výzkum kvantových jevů, jak v případě zmíněného fotonického kvantového čipu.

Programovatelnost je základem

Jak se vyjádřil Peter Shadbolt, který studii o tomto čipu publikoval v časopise Nature Photonics, vědci potřebují především konfigurovatelné zařízení. Takové, které je schopné provádět různé úlohy, podobně jako běžné domácí počítače. Současný čip je desetkrát komplexnější než cokoli, co bylo předtím v laboratořích různě po světě k dispozici. Velké množství experimentů, které lze provozovat pouze v rámci jednoho jediného čipu, tak na sebe nenechá dlouho čekat.

Optický obvod o velikosti 7 × 3 cm obsahuje malé světelné kanálky, kterými proudí jednotlivé fotony. V obvodu se nachází i osm konfigurovatelných elektrod, které tyto fotony kvantově provážou.

Čeká nás kvantově-optická změna

Lze jen těžko odhadnout, kdy začnou být kvantové optické čipy na takové úrovni, aby se začaly prosazovat v oblasti veškeré elektroniky – respektive „fotoniky“ – kterou známe. Jako první v řadě budou pravděpodobně velké superpočítače, které si v rámci stamilionových cen mohou dovolit zapomenout na některé neduhy (velikost, spotřeba, chlazení) na úkor vysokého výkonu. Ten v efektivitě či ceně předčí současné systémy složené z tranzistorových procesorů nebo grafických karet.

Kvantový svět a využití jeho vlastností pro stavbu složitějších zařízení s novými možnostmi jistě znamená obrovský skok pro samotné lidstvo. Dočkáme se třeba za deset let? Co vše bude možné?

Nejčtenější