Druhý díl bude výjimkou v pravidle, že se nebudeme zabývat detailním popisem fyzikální podstaty. Tou výjimkou bude detailnější popis kvantového bitu, neboli qubitu. Čtenář se nemusí bát, nebudeme používat žádné složité rovnice nebo teorémy. Cílem je si jen představit zvláštnosti kvantových bitů a co nám tyto zvláštnosti umožňují.

Kvantový bit = qubit

Důvod, proč se vědci, společnosti a vlády čím dál více zajímají o kvantové sítě a počítače je jejich kvantová podstata, která jím dává natolik speciální schopnosti, že díky nim jisté úlohy jsou schopné provést nesrovnatelně rychleji, než klasické počítače.

V případě kvantové informatiky je základní jednotkou kvantový bit (zkráceně budeme používat „qubit“). Připomeňme, že klasický bit má hodnotu 0 nebo 1. Kvantový bit může mít hodnoty rovněž nula a jedna, ale i jejich libovolnou lineární kombinaci. To znamená, že qubit může být 0 a 1 zároveň a to v různém poměru.

To znamená, že libovolný stav qubitu můžeme jednoduše vyjádřit jako

    \[ |\psi \rangle = a |0 \rangle + b|1 \rangle, \]

kde |0 \rangle a |1 \rangle jsou kvantové reprezentace klasických hodnot 0 a 1. Čísla a a b nazýváme amplitudy a obecně se jedná o komplexní čísla. To nám dává první náznak, proč je složité simulovat qubit na klasickém počítači. Už jen pro jeden samostatný qubit potřebujeme čtyři čísla typu double pro vyjádření obou komplexních amplitud.

Pro úplnost terminologie dodejme, že kvantový stav qubitu, který není čistou representací 0 nebo 1, ale jejich kombinací se nazývá superpozicí. Oblíbená je také vizualizace qubitu pomocí Blochovy koule, viz obrázek níže. Jednoduše řečeno, obecně qubit je reprezentací libovolného bodu na povrchu této koule.

Blochova koule slouží pro visuální representaci kvantového bitu, kde kvantový bit může representovat libovolný bod na povrchu této koule.

Někdo by se mohl zeptat, co jsme mysleli tou kvantovou reprezentací 0 nebo 1. Obecné vyjádření ve formě |0 \rangle a |1 \rangle používáme proto, že konkrétní realizace může být fyzikálně velice odlišná. Jednou to může být realizováno pomocí polarizace fotonu, jindy orientací spinu elektronu nebo např. energetickým stavem iontu, které nabývá dvou hodnot (základní stav a stav excitovaný).

Kvantové provázání

Druhou významnou vlastností je kvantové provázání, tzv. quantum entanglement, jistý druh korelace mezi qubity, která je mnohem silnější než libovolná klasická korelace. Je to přesně ta vlastnost, kvůli které měl jisté pochyby i sám Einstein ač sám přispěl k základům kvantové fyziky velkou měrou.

Chování kvantového provázání si ukážeme na příkladu. Mějme dvě koule schované ve dvou krabičkách. Krabičku můžeme otevřít a uvidíme, jestli je koule modrá nebo červená. Důsledek kvantového provázání takových koulí je, že, když se pak podíváme do druhé krabičky, tak ta koule bude mít přesně tu stejnou barvu. Asi si řeknete, že něco takového umíme sestrojit také. Nějakou mašinu, do které dáme čtyři koule ve dvou barvách a on nějak náhodně vybere tu jednu barvu, ale stále je tu někdo/něco kdo ví, co je v krabičkách. Ve kvantové verzi je to o to silnější, že my v těch krabičkách vytvoříme koule, které jsou modré a červené zároveň a nikdo tedy neví, co to bude, až to otevřeme.

Další vlastnosti

Další z řad vlastností například je, qubit nelze jednoduše zkopírovat. Zcela banální znění vlastnosti má dalekosáhlé důsledky. Na jedné straně to má významné aplikace v bezpečnosti, když v tom qubitu máme nějakou informaci, nikdo ji zkrátka nemůže zkopírovat. Někdo si může sice vzít celý qubit, ale to my poznáme.

Na druhou stranu to značně znesnadňuje vlastní počítání. Pokud si nemůžeme proměnnou zkopírovat, mnoho algoritmů se stane mnohem složitějšími. Nebo to má vliv na stabilitu bitu. Představme si, že máme bit a je třeba 10% šance, že se bit překlopí. Není nic jednoduššího, než si udělat pár kopií a kontrolovat daný bit. V případě qubitů, které v současnosti jsou stále velmi nestabilní (vydrží maximálně sekundy, záleží na realizaci), tak by se takové kopírování hodilo. Nicméně tu možnost nemáme a je potřeba velice složitých mechanismů na kontrolu qubitů.

V podstatě se téměř jedná o samostatnou oblast zvanou korekce kvantových chyb, v a.j. quantum error correction, která se těmito mechanismy zabývá jak na úrovni kvantového programování, tak na úrovni samotných kvantových čipů.

Změření qubitu

Další zajímavou částí je měření qubitů. V případě klasického bitu jej můžeme jednoduše přečíst z registru kolikrát chceme. V případě qubitu, zvláště pokud je v nějaké superpozici mezi |0 \rangle a |1 \rangle, je situace složitější. Měřením nikdy nepřečteme danou superpozici, vždy dostaneme jenom |0 \rangle nebo |1 \rangle. Navíc, při každém takovém měření se daná superpozice nenávratně zničí, tzv. zhroucení vlnové funkce.

Ze všech výše zmíněných vlastností vyplívá, že pokud chceme změřit (přečíst) qubit, který je v nějaké superpozici, tak jej můžeme přečíst jen jednou a to na konci, až doběhne algoritmus. Navíc, celý proces musíme provést několikrát a z výsledné statistiky změřených stavů 0 a 1 pak dostaneme výsledný stav, odpovídající měřené superpozici.

Logický versus fyzický qubit

Kvantový bit jako kvantový systém je stále poměrně nestabilní a je náchylný k mnoha chybám. Qubity jsou obecně nestabilní, mají omezený tzv. koherenční čas. To si můžeme představit jako dobu, po kterou je schopný daný qubit se plně soustředit na to, jakou hodnotu obsahuje. Jakmile se přestane plně soustředit, může dojít k mýlce a následně k chybě v našem výpočtu. Konkrétní fyzickou implementaci jednotlivého qubitu pak nazýváme fyzický qubit.

Protože qubit má krátkou dobu soustředění, zatím vydrží jen omezený počet operací a je náchylný na vlivy okolí (představme si to jako soustavné vyrušování někoho, kdo se soustředí), například okolní teplo v případě qubitů, které pracují kolem absolutní nuly, tak je potřeba implementovat opravné mechanismy na hardwarové i softwarové úrovni. To vede k tomu, že jeden logický qubit, t.j. qubit, který používáme v našem kvantovém algoritmu a který je teoreticky spolehlivý, je v pozadí tvořen mnoha fyzickými qubity. Odhady hovoří, že na jeden logický qubit budeme potřebovat až tisíce fyzických qubitů v případě qubitů na supravodivé bázi.

Kvantový bit má teoreticky působivou budoucnost se zajímavým uplatněním s dalekosáhlými důsledky (o tom více v následujících dílech). Nicméně jeho realizace ve velkém množství s dostatečně dlouhou dobou „soustředění“, vysokou spolehlivostí a s významným potlačením chyb je ještě běh na dlouhou trať.