Rektor oceňuje tři zástupce Jaderky: prof. Igora Jexe s Craigem Hamiltonem a Marka Matase
Hned tři reprezentanti Jaderky letos získali Cenu rektora. Za vynikající vědecký výsledek – konkrétně vzorkování bosonů z Gaussovských stavů světla (Gaussian Boson Sampling) – prof. Igor Jex spolu s Craigem Hamiltonem z Katedry fyziky a za vynikající doktorskou práci Phenomenological studies of QCD at high energies pak Marek Matas, absolvent Experimentální jaderné a částicové fyziky, který nyní působí na ETH Zurich.
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.
Silná interakce přinesla cenu i pozici v ETH Zurich
Disertační práce Marka Matase přispěla k většímu pochopení jedné ze základních sil v přírodě – silné interakce, která určuje strukturu protonu, neutronu a jader atomů, a je tudíž zodpovědná za základní stavební bloky hmoty kolem nás. Konkrétně se práce věnovala jedné ze stále nezodpovězených otázek v rámci teorie silné interakce – kvantové chromodynamiky – a tomu, jak se struktura protonu mění s rostoucí energií srážky s jinou částicí. Odpovědí na tuto otázku je komplikovaná 4D integro-diferenciální Balitsky-Kovchegovova rovnice, jejíž plné řešení dosud není známo a je třeba se při řešení uchýlit k aproximacím. Marek Matas dokázal najít způsob, jak obejít některá dosud používaná zanedbání při řešení této rovnice a získal dosud nejobecnější existující řešení této rovnice. Toto řešení použil pro předpověď experimentálních veličin, které s úspěchem konfrontoval s existujícími naměřenými daty především z urychlovačů HERA v DESY Hamburk a LHC v CERN Švýcarsko.
Během svého doktorského studia publikoval Marek Matas šest článků v renomovaných vědeckých časopisech a sedmý článek vyšel po obhájení disertační práce. Tyto články byly velmi kladně přijaty komunitou, o čemž hovoří nejen více než 80 citací nasbíraných za dva roky ale i fakt, že jeden z článků byl vybrán jako Editors’ suggestion prestižního časopisu Phys. Rev. D.
Výsledky jeho práce vedly k pozvání k účasti na významných mezinárodních konferencích a k získání postdoktorandské pozice na univerzitě ETH Zurich. Disertace také získala Becquerelovu cenu Francouzské ambasády v Praze 2020 a Cenu Josefa Hlávky 2020.