Pohnuli solitonem a přiblížili se kvantovým počítačům

Současné počítače jsou na limitech, proto se noříme do světa kvantových technologií, říká ve zvukové reportáži fyzik Pavel Jelínek.

Solitony jsou vlny, které se šíří bez ztráty energie, takže si zachovávají svou rychlost i tvar. Tím se liší od běžných vln, které se za normálních okolností prodlužují, zpomalují a nakonec se ztratí. Solitonů si v roce 1834 poprvé všiml inženýr Scott Russel v plavebním kanálu. Zaujaly ho natolik, že je stíhal na koni podél toku poblíž Edinburghu několik mil. Se solitony se ale můžeme setkat i kvantovém světě.

„Zabýváme se studiem molekulárních struktur, tedy struktur vytvořených z jednotlivých atomů nebo molekul,“ vysvětluje docent Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Vědci na povrch křemíku deponovali atomy zlata a zkoumali, co se s atomy stane. „Našli jsme tam jakési pravidelné uspořádání, které jsme byli schopni pomocí pulzu z rastrovacího mikroskopu měnit, vytvářet, rušit nebo posouvat,“ doplňuje fyzik.

A právě to byly ty solitony. K tomu, aby vznikly, potřebují hodně specifické podmínky. Vědci je odhalili a teď uvažují, že právě na solitonech by se jednou mohly zakládat kvantové počítače, tedy přesněji jeden z jejich typů. Důležitá je prý ta neměnnost solitonů. „Jeden z největších problémů kvantového počítání je koherence. To znamená, že kvantový stav interaguje s okolím, čímž se změní. My ale potřebujeme kvantový stav zachovat do doby, než s ním provedeme nějakou operaci. Pokud změní svůj stav dříve, než s ním operaci provedeme, pro kvantové počítání ho použít nemůžeme. Soliton má ale tu výhodu, že svou entitu zachovává,“ popisuje Jelínek s tím, že to je důvod, proč se někteří vědci domnívají, že solitony lze pro vývoj kvantových počítačů využít.

Určitým omezením v rozvoji kvantových počítačů na bázi solitonů bylo, že vědci dosud znali pouze solitony s takzvaným celočíselným nábojem, tedy s celými elektrony. Jenže ty nejsou moc stabilní. Pavlu Jelínkovi a jeho kolegům se ale podařilo vytvořit soliton s takzvaným neceločíselným nábojem: „Není tam lokalizovaný právě jeden elektron, ale jen některá jeho frakční část. Takový soliton vydrží mnohem déle. Zároveň se nám podařilo pomocí rastrovacího hrotu tyto solitony cíleně vytvářet a manipulovat s nimi.“ Právě to je podle Jelínka pro vývoj kvantových počítačů na bázi solitonů nezbytné.

Na kvantové počítače se výzkumníci a vývojáři zaměřují kvůli tomu, že ty současné už naráží na své limity. Výkon počítačů se doposud zvyšoval zmenšováním součástek. Čím jsou menší, tím se jich do počítače vejde více, a tím se zvyšuje výkon. Velikost těchto součástek se měří v nanometrech. Postupně se tak dostáváme do kvantového světa, kde ale panují jiné podmínky než ve světě větších rozměrů.

Konceptů kvantových počítačů je několik a v současnosti jsou v různé fázi rozpracovanosti. V klasickém počítači jsou data reperezentována bity, kde každý bit je buď nula, nebo jedna. V kvantovém počítači se ale používají qubity, tedy kvantové bity. Ty mohou být nula, jedna nebo i kombinace obou.

První kvantové počítače se už teď snaží zkonstruovat velké počítačové firmy jako třeba Google, IBM nebo Microsoft. Ke svému fungování využívají supravodiče. Je ale otázka, jak se dokážou v praxi uplatnit a zda budou cenově dostupné. Proto se vědci ohlíží i po dalších směrech, kterými se vývoj kvantových počítačů může ubírat. A solitony jsou jedním z nich.

Výzkum solitonů není důležitý jen pro kvantové počítače, ale využije se například i v senzorice. Solitony hrají důležitou roli ve vodivých polymerech, jejichž objev byl v roce 2000 odměněn Nobelovou cenou za chemii.

Vytiskneme monitor na tiskárně a složíme ho do kapsy?

Pavel Jelínek věří, že můžou vzniknout například optoelektronické spínače. Aktivují se tehdy, když na ně dopadne světlo. A to právě díky solitonům a tomu, že s nimi dokážeme manipulovat.