Francuz Serge Haroche i Amerykanin David Wineland otrzymali nagrodę Nobla za rozwinięcie technik doświadczalnych pozwalających na obserwację pojedynczych atomów i fotonów oraz kontrolę oddziaływań między nimi.

W początkowym okresie rozwoju mechaniki kwantowej naukowcy potrafili wykonywać pomiary na dużych grupach atomów. Zastanawiano się, co by się stało, gdyby można było wyodrębnić jeden atom i nim manipulować. Tegoroczni nobliści sprawdzili to doświadczalnie. Prace Davida Winelanda polegały na złapaniu w pułapce szeregu jonów i wykonywaniu na nich skomplikowanych operacji. Serge Haroche obserwował fotony w tzw. wnęce rezonansowej. Jeden foton mógł żyć tam bardzo długo i oddziaływać w kontrolowany sposób z przesyłanymi przez nią pojedynczymi atomami. "Można powiedzieć, że Serge Haroche miał jeden qubit i mógł go długo obserwować" - mówi dr hab. Konrad Banaszek z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Qubit, czyli kwantowy bit

"W standardowym przetwarzaniu podstawową jednostką informacji jest bit, który przyjmuje wartość 0 lub 1. Kwantowe uogólnienie bitu to qubit, który może być w stanie tzw. superpozycji, czyli jest trochę zerem, a trochę jedynką. Jedną z właściwości qubitu jest to, że nie można nigdy w pełni poznać, w jakiej superpozycji został przygotowany. Leży to u podstaw kryptografii kwantowej" - tłumaczy dr hab. Konrad Banaszek. "W latach 90. stworzono algorytm kwantowy, który - testując różne rozwiązania - sprawia, że błędne odpowiedzi są <<wygaszane>>, a poprawne wzmacniane. W wyniku odczytujemy tę właściwą" - dodaje. "Spułapkowane" jony czy fotony we wnękach rezonansowych mogą służyć jako fizyczne realizacje qubitów, stąd znaczenie wyników dla rozwoju informatyki kwantowej.

Do tej pory zaproponowano wiele algorytmów kwantowych. Jednym z nich jest algorytm Shora, który służy do faktoryzacji liczb naturalnych. "Ten algorytm zastosowany w praktyce mógłby złamać kryptografię opartą na kluczu publicznym" - mówi dr hab. Konrad Banaszek. Algorytm Grovera potrafi szybciej przeszukiwać bazy danych. Nad nowymi zastosowaniami technologii kwantowych pracować będzie 20 europejskich instytucji, w tym Uniwersytet Warszawski, w ramach projektu SIQS "Symulacje i interfejsy przy użyciu układów kwantowych". Finansowany jest on z funduszy 7 Programu Ramowego Unii Europejskiej.

W ramach projektu SIQS, w konsorcjum z naukowcami z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pracował będzie tegoroczny noblista, Serge Haroche. Prace nad rozwojem technologii kwantowych w ramach projektu zaplanowano na lata 2013-2016. Wysiłki skupią się na szczególnych, najbardziej obiecujących zastosowaniach. "Jeden z zaplanowanych kierunków badań to symulacje układów kwantowych. Przykładowo, fizycy zajmujący się strukturami materiałów chcą wiedzieć, jakie parametry określają ich właściwości. Ale nie mają narzędzi, które pozwoliłyby dowolnie zmieniać wartości tych parametrów. Symulatory kwantowe je dostarczą" - wyjaśnia dr hab. Konrad Banaszek. "Drugi kierunek to budowa interfejsów kwantowych, czyli nauczenie się, jak przenosić superpozycje kwantowe pomiędzy układami kwantowymi różnego rodzaju. Dzięki temu mogą powstać technologie łączności kwantowej, w szczególności kryptografia kwantowa pozwalająca na bezpieczne przesyłanie informacji na odległości rzędu kilkuset kilometrów". Już teraz sprzedawane są gotowe kwantowe systemy szyfrujące o mniejszym zasięgu.

Do czego posłużyłby komputer kwantowy

Powstanie komputera kwantowego otworzyłoby przed informatyką nowe perspektywy, umożliwiając rozwiązanie wielu zadań, z którymi dziś nie potrafimy sobie poradzić. Nie wiadomo, czy uda się stworzyć komputer kwantowy. Z punktu widzenia logiki działania maszyny liczącej nic nie stoi na przeszkodzie. W połowie lat 70. grupa studentów informatyki z Massachusetts Institute of Technology zbudowała komputer z drewnianych patyczków i krążków pochodzących z dziecięcej układanki Tinkertoy. Maszyna potrafiła grać w kółko i krzyżyk. Gdyby jej konstrukcja była bardziej złożona, mogłaby wykonywać i inne zadania.

Skuteczność drewnianego komputera jest o wiele mniejsza niż krzemowego, ale oba mogą wykonywać te same operacje logiczne. Równie dobrze komputer mógłby być wykonany z wielu innych materiałów, pod warunkiem że dałoby się za ich pomocą wykonywać algorytmy. Dziś planuje się stworzenie komputera z pojedynczych atomów. Naukowcy twierdzą, że to możliwe. Powoli rysują się perspektywy stworzenia odpowiedniej technologii. Także na gruncie matematyki da się opracować algorytmy dla systemu. Pozostaje kwestia technologicznych aspektów rozwiązania.

Rozwój prac nad komputerem kwantowym stymuluje możliwą do osiągnięcia szybkość przetwarzania danych. Jeżeli cząstka może być w dwóch położeniach równocześnie, to może w tym samym czasie wykonywać dwie operacje logiczne. Dzisiejszym komputerom rozłożenie pięćdziesięciocyfrowej liczby na czynniki pierwsze (czas jednej operacji liczony w nanosekundach) zajęłoby 23 mln lat! Komputer kwantowy mógłby wykonać wszystkie obliczenia naraz!