Neutralne atomy naprawiają kwantową wadę. Nowa bramka jest stabilniejsza niż kiedykolwiek
Naukowcom z ETH Zurich udało się rozwiązać jeden z największych problemów komputerów kwantowych – niestabilność bramek logicznych. Nowa metoda, oparta na subtelnym efekcie geometrycznej fazy, osiąga precyzję 99,91% i działa na 17 000 parach kubitów jednocześnie.
Komputery kwantowe od lat obiecują rewolucję w obliczeniach – od łamania szyfrów po projektowanie leków. Ich największym wrogiem nie jest jednak brak pomysłów, lecz kruchość samych kubitów. Te maleńkie jednostki informacji kwantowej są tak wrażliwe na zakłócenia, że błędy pojawiają się średnio raz na tysiąc operacji. Dla porównania, klasyczne bity mylą się raz na bilion. Teraz zespół z ETH Zurich znalazł sposób, by radykalnie poprawić stabilność jednego z kluczowych elementów kwantowego procesora – bramki swap.
Bramka, która wymienia stany
→ Czytaj też: Zamrozili światłowód do -196°C. Efekt może zmienić komputery na zawsze
W klasycznym komputerze bramki logiczne to proste operacje: AND, OR, NOT. W świecie kwantowym są bardziej złożone, bo muszą operować na stanach superpozycji. Jedną z najważniejszych jest bramka swap – jej zadanie polega na zamianie stanów dwóch kubitów. To jak przełącznik torów, który pozwala informacji płynąć tam, gdzie jest potrzebna.
Dotychczasowe metody realizacji bramki swap opierały się na silnym oddziaływaniu między atomami, wykorzystując zjawisko tunelowania. Problem w tym, że te techniki są niezwykle czułe na szybkość i moc laserów, które utrzymują atomy w miejscu. Nawet minimalne fluktuacje wiązki laserowej wprowadzały błędy. Jak tłumaczy Yann Hendrick Kiefer, postdoktorant z ETH Zurich i pierwszy autor badania opublikowanego w Nature: „Laser to nic innego jak monochromatyczne promieniowanie elektromagnetyczne. Jeśli umieścimy neutralny atom w tym polu, indukuje się moment dipolowy, który pozwala utrzymać atom w miejscu”. Im precyzyjniej trzeba kontrolować laser, tym łatwiej o pomyłkę.
Geometria zamiast siły
→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią
Zamiast walczyć z niedoskonałościami laserów, naukowcy postanowili je ominąć. Wykorzystali efekt zwany fazą geometryczną. W przeciwieństwie do standardowych metod, które zależą od tego, jak szybko i jak mocno atomy są popychane, nowa bramka swap opiera się wyłącznie na drodze, jaką atomy pokonują w sztucznym „krysztale światła” – sieci optycznej utworzonej przez przecinające się wiązki laserowe.
„Mechanika kwantowa opisuje stany za pomocą funkcji falowych. Manipulacja tą funkcją wprowadza fazę, która może mieć charakter dynamiczny lub geometryczny” – wyjaśnia Kiefer. Faza dynamiczna wymaga niezwykle precyzyjnego ustawienia energii, czasu i mocy lasera. Faza geometryczna zależy przede wszystkim od kształtu ścieżki, jaką układ pokonuje od punktu początkowego do końcowego. To czyni ją naturalnie odporną na zakłócenia zewnętrzne.
17 000 par kubitów i 99,91% precyzji
Efekt przeszedł najśmielsze oczekiwania. Nowa bramka swap osiągnęła precyzję lepszą niż 99,91% i działała w czasie poniżej jednej tysięcznej sekundy. Co więcej, zespół przetestował ją na systemie liczącym aż 17 000 par kubitów – to ogromna skala jak na warunki laboratoryjne. Dla porównania, bramki w innych architekturach (nadprzewodnikowych czy pułapkach jonowych) często działają szybciej, ale tylko na kilku parach naraz.
Naukowcy udowodnili też, że potrafią tworzyć tzw. bramki pół-swap – operacje, które tylko częściowo wymieniają stany kubitów. To kluczowe, ponieważ splątanie kwantowe, czyli specjalny rodzaj korelacji między kubitami, powstaje właśnie przy niepełnej wymianie. Pełny swap głównie przenosi informację, ale pół-swap tworzy splątanie – a to ono jest prawdziwym paliwem komputerów kwantowych.
Droga do praktycznej maszyny
Mimo spektakularnych wyników, droga do użytecznego komputera kwantowego wciąż jest daleka. „Obliczenia kwantowe na praktyczną skalę wciąż wymagają znaczących postępów” – przyznaje Kiefer. „Największymi ograniczeniami są skala i wierność”.
Badacz pozostaje jednak optymistą. Przywołuje niedawne analizy, które sugerują, że do rozwiązania niektórych problemów – na przykład algorytmu Shora, który łamie obecne szyfrowanie – wystarczy zaledwie 10 000 kubitów, a nie miliony, jak wcześniej zakładano. „Jest jeszcze wiele pracy, zanim faktycznie rozwiążemy algorytm Shora – mówi Kiefer – ale wchodzimy w fazę, w której marzenie o kwantowym komputerze może powoli stawać się rzeczywistością. Ekscytujące czasy!”.
Nowa bramka swap to nie tylko techniczna ciekawostka. To dowód na to, że fizyka kwantowa potrafi zaskakiwać prostotą tam, gdzie spodziewaliśmy się skomplikowanej walki z szumem. Czasem wystarczy zmienić perspektywę – i zamiast pchać atomy na siłę, pozwolić im podążać własną geometryczną ścieżką.
