Kubit kontrolowany, czyli gigantyczny krok w stronę komputerów kwantowych

Jakiś czas temu Serge Haroche i David J. Wineland otrzymali Nagrodę Nobla za skuteczne eksperymentalne metody mierzenia i manipulowania stanem systemów kwantowych. Jak to się ma do wyczekiwanych przez nas superwydajnych komputerów? Zapraszam do lektury po odpowiedź.

Gdzie kwant, gdzie logika?

Pisanie o komputerach kwantowych nie należy do czynności prostych, bo zasada ich działania przeczy zdrowemu rozsądkowi, który bazuje na prostej logice. Obecnie służące nam maszyny posługują się jasnym i zrozumiałym systemem zero-jedynkowym, w którym wartość albo jest, albo jej nie ma. Nie ma miejsca na odcienie szarości, a rzeczywistość jest prosta niczym u Szekspira - byt albo niebyt.

Komputer kwantowy, choć jeszcze nie istnieje (poza prototypami, o których będę pisał dalej), ma za nic powyższe zasady. Jednostką pamięci jest kwantowa bramka logiczna zwana kubitem. Kłopot polega na tym, że kubit nie będzie miał nigdy konkretnego stanu, jak na przykład 1 lub 0. Kwantowa bramka logiczna będzie trochę zerem, trochę jedynką, a czasami jednym i drugim. Obliczenia na tego typu niepewnych jednostkach pamięci będą odbywać się z wykorzystaniem praw prawdopodobieństwa. Jedną z metod wyłaniania konkretnego wyniku jest na przykład wykonanie serii obliczeń i wyciągnięcie średniej.

Nie brzmi to zbyt zachęcająco, gdy spojrzymy na to rozwiązanie z punktu widzenia wydajności? Po co nam komputer, który potrzebuje kilku operacji, by stwierdzić, że 2+2=4? Otóż kubit może potencjalnie wykonać kilka obliczeń jednocześnie, ponieważ zawiera o wiele więcej informacji niż klasyczne 0 i 1. A więc o jakiej wydajności możemy mówić?

Michael Biercuk, naukowiec zajmujący się fizyką kwantową, opisuje możliwości komputera kwantowego składającego się z 300 atomów:

[Komputer kwantowy] daje nam olbrzymie możliwości obliczeniowe. Będziemy mogli rozwiązać problemy, które są obecnie zbyt trudne lub wręcz niemożliwe do rozwikłania. Zwykły komputer o podobnej mocy obliczeniowej musiałby być tak duży jak znany nam wszechświat (!).

Aby wykorzystać moc układu kwantowego, trzeba wiedzieć, w jakim aktualnie stanie się on znajduje i jak można go zmodyfikować. Innymi słowy, mieć możliwość efektywnej obsługi komputera kwantowego. I tutaj wkraczają panowie Haroche i Wineland z Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Foton i atom

Ten niezwykły duet naukowców (choć pracujący niezależnie) znalazł skuteczny i bezpieczny dla układu kwantowego sposób na manipulowanie cząstkami materii i światła. Do tej pory układy kwantowe były niemalże nieuchwytne dla zewnętrznego obserwatora. Najmniejsza ingerencja z zewnątrz burzyła delikatny stan kwantowy i niweczyła nadzieje na udaną obserwację.

Metody opracowane przez laureatów opierają się na osiągnięciach optyki kwantowej. Naukowcy wykorzystali fotony do pomiaru i kontroli elektronów oraz elektrony do pomiaru i kontroli fotonów.

Wineland skierował promień lasera w kierunku pojedynczego atomu. Zgodnie z teorią kwantową promień ten miał 50% szans na trafienie swojego celu i "przemieszczenie go" w inne miejsce poprzez wytworzenie dwóch jednocześnie występujących stanów energetycznych. Tak potraktowana cząstka (w tym przypadku atom) będzie znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Stanie się kubitem, który będzie można obserwować i modyfikować!

Artur Ekert, polski naukowiec pracujący nad zagadnieniami fizyki kwantowej na Uniwersytecie Oksfordzkim, tak skomentował odkrycie:

Haroche i Wineland zademonstrowali nam niezwykłe możliwości kontroli fotonów i atomów. Pokazali, jak sprawić, by wchodziły ze sobą w interakcje na zawołanie.

Haroche wykonał analogiczny eksperyment. Za pomocą specjalnych nadprzewodzących luster złapał w pułapkę fotony, a następnie wystrzelił w ich kierunku atom. Fotony ujawniły swoją obecność w stanie kwantowym. Od tej pory mogły one być obserwowane i kontrolowane.

Pierwsze kwantowe bramki, które wykorzystują odkrycia noblistów, już istnieją. Warto zaznaczyć, że ich opracowaniem zajmowało się kilka niezależnych zespołów (Jeff Kimble, Chris Monroe etc) na całym świecie, ale nagrodę przyznano akurat wspomnianym wcześniej panom. Pierwsze obliczenia kwantowe zaprezentowano już w 1995 r. W 2001 r. informatycy z IBM przy współpracy Uniwersytetu Stanford opracowali 7-kubitowy komputer, który dokonał rozkładu 15=3x5 za pomocą algorytmu Shora.

Największym dotąd skonstruowanym "komputerem kwantowym" jest 300-kubitowy układ nadprzewodnikowy firmy D-Wave. Jego poprzednikiem był widoczny na zdjęciu poniżej 128-kubitowy chip - pierwszy na świecie rejestr kwantowy.

Pamiętajmy jednak, że żaden z tych komputerów nie może tak naprawdę nosić miana "komputera kwantowego", ponieważ nie jest możliwa pełna kontrola nad kubitami. W wyżej wymienionych przykładach kubity bardzo szybko tracą swoje stany i w sposób niekontrolowany zmieniają "wartości". Właśnie z tego powodu obliczenia wykonywane na prototypach są tak podstawowe. Dopiero opisane wyżej odkrycie noblistów pomoże trwale (bądź na znacznie dłużej) utrzymać kontrolę kwantowej bramki i dzięki temu wykonywać znacznie bardziej skomplikowane i czasochłonne obliczenia.