Prof. Igor Jex, ředitel CAAS a vedoucí výzkumného týmu Kvantová optika a kvantová informace v rámci programu Theory, získal Cenu rektora. Za vynikající vědecký výsledek – konkrétně vzorkování bosonů z Gaussovských stavů světla (Gaussian Boson Sampling) – ji dostal prof. Igor Jex spolu s Craigem Hamiltonem.
Protokol z Jaderky umožnil prokázat kvantovou nadvládu
Craig Hamilton a prof. Igor Jex s partnery z německé University v Paderbornu navrhli a detailně prozkoumali vzorkování bosonů z Gaussovských stavů světla (Gaussian Boson Sampling). Tento protokol umožňuje demonstrovat kvantovou nadvládu, tj. efektivní realizaci úlohy na kvantovém zařízení, jejíž vyřešení by na klasických superpočítačích trvalo tisíce let.
Poprvé oznámil kvantovou nadvládu v říjnu 2019 Google, který na kvantovém počítači Sycamore založeném na supravodivých qubitech realizoval tzv. vzorkování náhodných obvodů (Random Circuit Sampling). Problém spočívá v určení pravděpodobnostního rozdělení na výstupu lineární optické sítě, kde jsou vstupem jednofotonové stavy světla. Protože jsou fotony nerozlišitelné bosony, určení pravděpodobnostního rozdělení zahrnuje výpočet tzv. permanentu unitární matice popisující působení optické sítě. Tato maticová funkce je na rozdíl od determinantu nesmírně náročná na výpočet. Určení permanentu čtvercové matice o 50 řádcích zabere řádově tisíce let výpočetního času. Proto je bosonové vzorkování extrémně náročné simulovat na klasických superpočítačích. Na druhou stranu, specializovaný kvantový optický počítač by dokázal tuto úlohu vyřešit efektivně prostým opakováním experimentu a rekonstrukcí pravděpodobnostního rozdělení z naměřených četností detekce fotonů. Zásadní překážkou v experimentální realizaci bosonového vzorkování se však ukázal požadavek na jednofotonové vstupní stavy světla, které se do dnešní doby žádné experimentální skupině na světě nepodařilo připravit v dostatečném množství a kvalitě tak, aby bylo možné demonstrovat kvantovou nadřazenost.
Craig Hamilton a prof. Igor Jex spolu s partnery z University v Paderbornu ukázali, že úloha zůstane klasicky extrémně náročná, i pokud se použijí jiné než jednofotonové stavy světla. Ve svém návrhu konkrétně uvažovali tzv. stlačené Gaussovské stavy. Dokázali, že v tomto případě je výstupní pravděpodobnostní rozdělení určeno jinou maticovou funkcí, tzv. Haffniánem, jehož výpočet je ale stále extrémně náročný, a pro dostatečně velkou lineární optickou síť a silně stlačené stavy světla tak nelze problém efektivně simulovat na klasickém superpočítači. Zásadní výhodou stlačených Gaussovských stavů světla je, že jsou podstatně jednodušší na přípravu než jednofotoné stavy. Tento fakt umožnil čínským vědcům na specializovaném kvantovém optickém počítači Jiuzhang realizovat protokol spolunavržený Craigem Hamiltonem a prof. Igorem Jexem v režimu, který potvrdil kvantovou nadvládu (viz aktualita).
Zveřejněné publikace mají značný ohlas ve vědecké komunitě, jak dokazují počty citací (u PRL 82 citací podle WoS, resp. 168 podle Google Scholar; u PRA 16 podle WoS, resp. 58 podle Google Scholar). V minulém roce vzorkování bosonů z Gaussovských stavů světla využil výzkumný tým Čínské univerzity vědy a technologie k historicky druhému prokázání kvantové nadvlády.
Praktické využití vzorkovacích protokolů je v současnosti velmi aktivní oblastí výzkumu. Na rozdíl od např. Shorova algoritmu pro faktorizaci totiž lze vzorkovací protokoly alespoň přibližně realizovat na existujících nedokonalých kvantových zařízeních, která nejsou univerzální nebo nemají korekci chyb. Protokol spolunavržený Craigem Hamiltonem a prof. Igorem Jexem tak představuje významný krok k využití kvantových technologií.
Craig Hamilton a Igor Jex jsou členy výzkumné skupiny Q3 na katedře fyziky FJFI ČVUT v Praze. Výzkum kvantové optiky a kvantové informace je také součástí výzkumného programu Theory v rámci Centra pokročilých aplikovaných přírodních věd (CAAS), který je jedním z největších současných projektů Českého vysokého učení technického v Praze (ČVUT). Výzkumná skupina se zaměřuje na hledání možných praktických využití kvantových technologií, jako jsou výpočty, simulace a zkoumání dalších zajímavých teoretických otázek v kvantových vědách.