Nadchodzi druga rewolucja kwantowa

Mało kto wie, że z odkryć fizyki kwantowej korzystamy na co dzień. Gdyby Max Planck nie odkrył, że energie fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciała są skokowe (skwantowane), nie mielibyśmy zaawansowanych smartfonów i komputerów. Wszystkie tranzystory umożliwiające ich działanie opierają się na strukturze pasmowej półprzewodników, które z kolei podlegają prawom mechaniki kwantowej. Bez fizyki kwantowej nie byłoby także laserów, światłowodów, tak nieocenionego w dzisiejszych czasach GPS-u czy precyzyjnego badania diagnostycznego, jakim jest funkcjonalny jądrowy rezonans magnetyczny. To tylko wierzchołek góry lodowej, bo na całym świecie prowadzi się na pozór egzotyczne badania, które mogą odmienić losy całej ludzkości.

Właśnie takie badania prowadzi się na Uniwersytecie Paris-Saclay, z którym umowę partnerską podpisał niedawno Thales - francuski gigant dostarczający systemy wykorzystywane w transporcie lądowym, lotnictwie, wojsku oraz kosmonautyce. Instytut Fizyki Uniwersytetu Paris-Saclay został uznany przez "Nature" za nr 1 wśród placówek badawczych zajmujących się fizyką w Europie. Jako jeden z trzech polskich dziennikarzy, miałem okazję zwiedzić te laboratoria i podejrzeć przyszłość.

Kilka tygodni temu, w "Nature" pojawiła się publikacja dotycząca przełomu w pracach nad komputerami kwantowymi. Google zbudowało Sycamore - komputer kwantowy składający się z 54 splątanych kubitów (jeden okazał się niesprawny, więc formalnie było ich 53), będący w stanie w 200 sekund wykonać obliczenia, które najpotężniejszemu klasycznemu superkomputerowi zajęłyby 10 000 lat. Informacja nie była do końca precyzyjna, co zauważyła firma IBM - twórcy przytoczonego superkomputera. Ich zdaniem, ich maszyna na wykonanie tych samych obliczeń, które zadano komputerowi kwantowemu, potrzebowałaby 2,5 dnia, a nie 10 000 lat. Mimo że różnica nie jest tak spektakularna, to porównanie 200 sekund (komputer kwantowy) do 216 000 sekund (superkomputer) i tak wypada korzystniej dla tego pierwszego.

Ale czym tak naprawdę jest komputer kwantowy? To nie komputer w klasycznym rozumieniu tego słowa, a układ, którego podstawę działania stanowią prawa mechaniki kwantowej (całkiem inne od klasycznej fizyki). Dane w komputerach kwantowych są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu, a kwantowa jednostka informacji to kubit. W odróżnieniu od klasycznych komputerów, poza wartościami 0 i 1, jest to pełna paleta wartości (stanów) pośrednich. Kubit jest w związku z tym układem mogącym przechowywać i przenosić znacznie więcej informacji niż bit, w związku z czym jego wydajność jest znacznie wyższa.

Podczas obliczeń, komputer kwantowy pokrywa jednocześnie całe spektrum stanów pośrednich. Jak to możliwe? To dlatego, że w fizyce kwantowej obowiązuje prawo prawdopodobieństwa, podobnie jak jest to z położeniem elektronu w atomie. Nie ma jednego stałego miejsca, w którym znajduje się elektron, a jedynie strefy, w których prawdopodobieństwo jego znalezienia jest wyższe lub niższe.

Kubit jest kwantową superpozycją zera i jedynki, czyli upraszczając - jest jednocześnie zerem i jedynką. Pojedynczy wynik obliczeń komputera kwantowego jest zatem niepewny. Dopiero wykonanie całej serii obliczeń i oszacowanie wartości średniej, z dużą dokładnością daje prawidłowy wynik. Jest on tym dokładniejszy, im więcej obliczeń dokona komputer. A ponieważ kubit niesie ze sobą więcej informacji niż bit, pozwala na równoległe wykonanie wielu pomiarów. - Komputery kwantowe powstaną w ciągu 20 lat. Nie będziemy potem już wspominać, jak to było bez nich, po prostu będziemy to traktować jak "zamierzchłe czasy" - powiedział Marko Erman, dyrektor ds. rozwoju technologicznego Thales Group.

Naukowcy mówią o nadchodzącej drugiej rewolucji kwantowej, bo pierwszą mamy za sobą. Jej dziećmi mają być kwantowe maszyny obliczeniowe (sensory, procesory i ostatecznie - komputery kwantowe). Thales wierzy, że powstaną one w ciągu najbliższych 15 lat. Już teraz trwają prace nad kwantowymi zegarami atomowymi, do 2022 r. zostaną zbudowane sensory kwantowe, a w 2029 r. światło dzienne ujrzy kwantowy internet.

Apogeum drugiej kwantowej rewolucji będą uniwersalne komputery kwantowe, które powinniśmy ujrzeć już w 2035 r. Jeżeli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to będziemy żyli wtedy w prawdziwie kwantowym świecie z kwantowymi satelitami czy postkwantowym szyfrowaniem danych. To rzeczy, z których będą mogli skorzystać zwyczajni ludzie, a nie tylko naukowcy. - Kryptografia kwantowa sprawi, że nasze dane będą bezpieczniejsze. Używając komputerów kwantowych nie możemy mieć żadnych wątpliwości w tej materii - powiedziała dr Perrine Berger z Thales Group.

Nad komputerami kwantowymi pracuje się w różnych częściach świata, mimo że badania mające na celu stworzenie w pełni funkcjonalnej maszyny, wyglądają inaczej niż w przypadku tradycyjnych urządzeń elektronicznych. Odpowiadają bowiem za nie fizycy, którzy w laboratoriach przeprowadzają często niepowiązane ze sobą eksperymenty, które przynoszą owoce pod postacią postępu. Dla przykładu, ultrazimne atomy można wykorzystać do badań nad nowymi, egzotycznymi formami materii (np. kondensat Bosego-Einsteina), ale mogą one także być wykorzystywane do komunikacji kwantowej.

Jeszcze bardziej obiecujące są tzw. diamenty z centrum NV. - Diamenty z defektami mogą naprawdę zmienić sposób, w jaki myślimy o obliczeniach kwantowych. To materiał, którego jeszcze nie doceniamy, chociaż wkrótce zaczniemy - powiedział dr Ludovic Mayer, fizyk z Uniwersytetu Paris-Saclay.

Czyste diamenty są przezroczyste dla światła widzialnego, ale mogą uzyskać kolor dzięki manipulacjom z tzw. centrami kolorów. Jedno z nich - centrum kolorów NV (Nitrogen-vacancy center, czyli centrum luki azotu) - nadaje diamentowi różową barwę. Jest to defekt punktowy, w którym jeden atom węgla w sieci krystalicznej diamentu zostaje zastąpiony atomem azotu, a sąsiednie miejsce pozostaje puste. Centrum kolorów NV emituje czerwony sygnał fluorescencyjny (600-800 nm), gdy jest oświetlone zielonym światłem (532 nm).

Jest to układ podobny do atomu o dobrze określonych właściwościach spinu. Można go spolaryzować optycznie, a sygnał fluorescencyjny wykorzystać do wykrycia zmiany spinu indukowanej przez promieniowanie mikrofalowe. To sprawia, że diamenty z centrami NV są naturalnymi czujnikami pola magnetycznego. Naukowcy przewidują, że dopracowanie tej technologii może pomóc w rozwoju sieci 5G. - Diamenty z centrami NV są łatwe do uzyskania, a dają mnóstwo możliwości. Atomy azotu możemy wprowadzać w odpowiednie miejsce z dokładnością kilkudziesięciu nanometrów, co pozwala jednemu centrum NV wykryć moment magnetyczny pojedynczej cząsteczki - dodał dr Ludovic Mayer.

W laboratoriach Uniwersytetu Paris-Saclay prowadzi się także badania nowych stanów elektronicznych lub spinowych, które mają doprowadzić do rozwoju nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach krytycznych, czyli takiego, którego interpretacja nie podlega upływowi czasu. Chodzi o egzotyczne fazy, takie jak kwantowe ciecze spinowe, materiały mutliferroiczne czy gazy elektronowe 2D na powierzchni tlenków. Celem naukowców jest zrozumienie i teoretyczny opis transportu elektronicznego i termicznego w tzw. układach mezoskopowych, w których zachowanie elektronów zależy od kwantowej spójności ich funkcji falowej. To doprowadzi do stworzenia nowych rodzajów sztucznych atomów, takich jak półprzewodnikowe lub nadprzewodzące kropki kwantowe, nanorurki węglowe czy izolatory topologiczne. Bez nich, rozwój technologii kwantowych się nie uda.

Do tej pory za lidera komputerów kwantowych uważano firmę D-Wave Systems, która w 2007 r. pochwaliła się 128-bitowym rejestrem kwantowym, chociaż nigdy nie ujawniła jego szczegółów. Firma miała opracować maszyny dla Google i Lockheed Martin, ale istnieją obiekcje, czy faktycznie są to komputery kwantowe. Na początku 2019 r. firma IBM zaprezentowała Q System One, czyli pierwszy komputer kwantowy przeznaczony do użytku komercyjnego. Nad swoją maszyną pracuje także Google. Wszyscy chcą mieć własny komputer kwantowy.

Aby w pełni wykorzystać moc komputerów kwantowych, konieczne jest połączenie wielu kubitów w procesie zwanym splątaniem kwantowym. Ale generowanie i łączenie kubitów, a następnie wykorzystanie ich do wykonywania obliczeń w stanie splątanym, nie jest łatwe. W najlepszym wypadku powoduje to błędy w obliczeniach, a w najgorszym rozpad splątanych kubitów.

Jednym ze sposobów poradzenie sobie z tymi niedogodnościami jest wprowadzenie do układu dodatkowych kubitów, których jedyną rolą jest weryfikowanie i poprawianie wyników. Oznacza to, że takie komputery kwantowe będą bardziej wydajne. Mogą posłużyć do rozwiązania wielu skomplikowanych problemów, np. sposobu fałdowania białek, modelowania procesów fizycznych w złożonych atomach czy symulacji procesów formowania galaktyk.

Maszyny te mają przewagę nad klasycznymi komputerami, ponieważ ich moc obliczeniowa rośnie wykładniczo - dwa kubity mają cztery możliwe stany, 3 kubity mają osiem stanów, a 150 kubitów będzie miało więcej stanów niż jest atomów na Ziemi. Wydaje się być to technologia, która diametralnie zmieni nasze życie. Za 100 lat ludzkość będzie wspominać czasy sprzed drugiej rewolucji kwantowej w sposób, w jaki my dzisiaj mówimy o świecie sprzed rewolucji przemysłowej.