Měření qubitu zničí jeho stav, čtení kvantové informace je největší překážkou

Jednou z nejzásadnějších překážek, s nimiž se vývoj kvantových počítačů potýká, není samotné vytvoření kvantového bitu, ale získání informace, kterou v sobě nese. Zatímco klasický počítač pracuje s bity, jejichž hodnotu lze přečíst kdykoli a bez rizika, qubit se chová zásadně jinak. Právě tento rozdíl určuje, jak složité je kvantové výpočty navrhovat a využívat.

Klasický bit nabývá hodnoty nula nebo jedna a jeho obsah lze číst opakovaně, aniž by se jakkoli změnil. Pokud počítač přečte údaj z paměti, zůstane tento údaj uložen přesně tak, jak byl. Na tom stojí celá současná výpočetní technika včetně kontroly chyb, kopírování dat či ladění programů. Čtení je tu zcela nezávazná operace, která na čtený obsah nemá žádný vliv.

U kvantového systému tomu tak není. Přímé měření qubitu obvykle způsobí kolaps jeho stavu, a to dřív, než lze tento stav určit. Qubit může před měřením existovat v kombinaci více stavů najednou, jenže jakmile se jej výzkumník pokusí přečíst, systém se zhroutí do jediného výsledku. Původní, bohatší informace je v tu chvíli nenávratně pryč. Čtení informace tak informaci mění.

Tato vlastnost má přímé praktické důsledky. Nelze jednoduše sáhnout do kvantového procesoru, zjistit, v jakém stavu se právě nachází, a pokračovat ve výpočtu. Každý takový zásah by výpočet narušil. Konstruktéři kvantových počítačů proto musejí celé algoritmy navrhovat tak, aby se měření provádělo až v pravý okamžik, typicky na konci výpočtu, kdy už je potřeba získat výsledek, nikoli sledovat průběh.

Souvisí s tím i obtíže s opravou chyb. V klasické elektronice lze data zkontrolovat, porovnat a případně opravit, protože je lze bez problémů číst a kopírovat. U qubitů tyto postupy v přímé podobě nefungují, neboť samotná kontrola by stav zničila. Kvantové systémy jsou přitom k okolnímu rušení mimořádně citlivé, takže chyby vznikají snadno, a o to větší význam má schopnost informaci získat tak, aby se nepoškodila.

Obtížnost čtení kvantové informace proto patří k hlavním důvodům, proč je stavba použitelných kvantových počítačů tak náročná. Nejde jen o to, qubity vyrobit a udržet je ve stabilním stavu, ale také o to, jak z nich nakonec dostat užitečný výsledek. Měření je v kvantové fyzice nevyhnutelně zásahem do měřeného systému a tento princip se nedá obejít pouhým zlepšením přístrojů.

Pro širší veřejnost bývá kvantové počítačství často popisováno jako technologie, která bude jednoduše rychlejší než ta stávající. Realita je ovšem složitější. Kvantový počítač nepracuje jako rychlejší verze běžného stroje, ale na odlišných fyzikálních principech, které přinášejí jak nové možnosti, tak zásadní omezení. Neschopnost číst stav qubitu opakovaně a bez následků je jedním z nejvýraznějších příkladů, jak se kvantový svět liší od klasického.

Právě proto se velká část výzkumu soustředí na to, jak informaci z qubitů získávat šetrně a spolehlivě, případně jak ji chránit před kolapsem po dobu nezbytnou k dokončení výpočtu. Vyřešení tohoto problému patří k předpokladům toho, aby se kvantové počítače mohly uplatnit v praxi. Dokud však platí, že pozorování mění pozorované, zůstane čtení kvantové informace jednou z hlavních výzev celého oboru.