nauki ścisłe
Autor: Christopher R. Monroe, David J. Wineland | dodano: 2012-10-16
Jonowe maszyny cyfrowe

Naukowcy zrobili pierwszy krok w kierunku zbudowania bardzo wydajnych komputerów, w których do wykonywania obliczeń będzie się używać pojedynczych jonów.

Postęp techniczny w ostatnich dziesięcioleciach wpłynął na znaczne zwiększenie zarówno szybkości, jak i niezawodności działania komputerów. Współczesne mikroprocesory mieszczą prawie miliard tranzystorów na powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych krzemowego podłoża, a w przyszłości elementy komputerów zmniejszą się jeszcze bardziej, osiągając rozmiary pojedynczej cząsteczki. Przy takich i jeszcze mniejszych skalach wielkości urządzenia te będą zupełnie inne, ponieważ ich działanie zostanie podporządkowane prawom mechaniki kwantowej – tym zależnościom w fizyce, które tłumaczą zachowanie atomów i cząstek subatomowych.

Jedną z wielkich nadziei wiązanych z komputerami kwantowymi jest to, że będą one mogły wykonywać niektóre istotne operacje znacznie szybciej niż sprzęt używany obecnie. Do najlepiej znanych spośród nich należy rozkładanie dużych liczb na iloczyn liczb pierwszych. Dla komputerów ich mnożenie jest prostym zadaniem nawet wtedy, gdy liczby zawierają setki cyfr, ale operacja odwrotna – znajdowanie czynników pierwszych – jest na tyle trudna, że stała się podstawą niemal wszystkich sposobów szyfrowania danych, obecnie szeroko wykorzystywanych, od handlu w Internecie poczynając, a na przesyłaniu tajemnic państwowych kończąc. W 1994 roku Peter Shor, pracujący wówczas w Bell Laboratories, wykazał, że komputer kwantowy może łatwo, przynajmniej w teorii, łamać te szyfry, ponieważ rozkładałby liczby na czynniki pierwsze o wiele szybciej, niż daje się tego dokonać za pomocą znanych klasycznych algorytmów. W 1997 roku Lov K. Grover, również z Bell Laboratories, udowodnił, że komputer kwantowy może znacznie przyśpieszyć wyszukiwanie nieuporządkowanych informacji w bazach danych – na przykład znaleźć w książce telefonicznej czyjeś nazwisko na podstawie numeru telefonu.

Jednak budowa komputera kwantowego nie będzie sprawą łatwą. Kwantowy hardware – atomy, fotony lub sztucznie wytworzone mikrostruktury pamiętające dane w postaci kwantowych bitów – musi spełniać wzajemnie sprzeczne wymagania. Kubity należy dostatecznie dobrze odizolować od otoczenia, w przeciwnym razie ich przypadkowe oddziaływania ze światem zewnętrznym wstrzymają obliczenia. Ten destrukcyjny proces, zwany dekoherencją, to zmora kwantowych komputerów. Jednocześnie bity muszą silnie oddziaływać ze sobą oraz na koniec pozwolić się zmierzyć, aby można było poznać wynik ich obliczeń.

Naukowcy z różnych krajów już wielokrotnie podejmowali próby budowy prototypów komputerów kwantowych. Nasze własne badania koncentrują się na przetwarzaniu informacji przy użyciu jonów o pojedynczym dodatnim ładunku, czyli atomów, które zostały pozbawione jednego elektronu. Uwięziliśmy w próżni krótki łańcuch jonów – zamykając cząstki za pomocą pól elektrycznych wytwarzanych przez umieszczone w pobliżu elektrody. Jony mogą otrzymywać sygnały wejściowe za pośrednictwem laserów oraz wymieniać się danymi. Naszym celem jest zbudowanie skalowalnych komputerów kwantowych – tzn. układów zawierających setki, a nawet tysiące kubitów. Będą one w stanie wykonywać bardzo złożone obliczenia, zbyt skomplikowane dla innych maszyn.

Uwięzienie jonów

Mechanika kwantowa jest teorią opartą na pojęciu fal. Podobnie jak dźwięki wydobywające się z dwóch lub więcej strun fortepianu łączą się w akordzie, tak różne stany kwantowe mogą powiązać się w superpozycję. Atom na przykład może być jednocześnie w dwu lokalizacjach lub w dwóch różnych stanach wzbudzenia.

Pomiar stanu cząstki będącej w kwantowej superpozycji, zgodnie ze standardową interpretacją, powoduje, że przechodzi ona w któryś ze stanów. Prawdopodobieństwo uzyskania konkretnego wyniku jest dane przez względną zawartość fal w tej superpozycji [ramka poniżej]. Spodziewane możliwości obliczeniowe komputerów kwantowych wynikają właśnie z faktu istnienia tego zjawiska: w przeciwieństwie do zwykłego bitu, który ma wartość 0 lub 1, bit kwantowy może jednocześnie przyjmować obie. Zatem układ dwóch kubitów będzie miał naraz cztery wartości – 00, 01, 10 i 11. Ogólnie, jeśli kwantowy komputer będzie zbudowany z N kubitów, to może on jednocześnie manipulować 2N liczbami; 300 atomów, z których każdy ma po jednym kubicie, pamięta więcej wielkości, niż jest cząstek we Wszechświecie!

Takie wielkie kwantowe superpozycje są na ogół splątane – tzn., że wyniki pomiarów pojedynczych kubitów są skorelowane. Można to sobie wyobrazić jako niewidzialne połączenia pomiędzy cząstkami, nie ma ono swojego odpowiednika w fizyce klasycznej.

Takie związki Albert Einstein nazywał "upiornym oddziaływaniem na odległość". Na przykład w przeprowadzanych przez nas doświadczeniach z uwięzionymi jonami każdy z nich, lewitując w polu elektrycznym, zachowuje się jak mikroskopijny magnes, stany 1 i 0 tego kubitu odpowiadają orientacjom każdego z atomowych magnesów (np. "w górę" i "w dół"). Chłodzenie laserowe, za pomocą którego odbiera się energię kinetyczną atomom poprzez rozpraszanie fotonów, prowadzi do niemal całkowitego bezruchu jonów wewnątrz pułapki. W komorze próżniowej są one izolowane od otoczenia, lecz elektrostatyczne odpychanie pomiędzy nimi to silne oddziaływanie wytwarzające splątanie. Do kontrolowania oraz odczytu danych przechowywanych w kubitach używa się cieńszych niż ludzki włos wiązek laserowych skierowanych na poszczególne jony.

W ciągu kilku ostatnich lat badacze przeprowadzili wiele doświadczeń dowodzących, że wykonywanie obliczeń za pomocą uwięzionych jonów jest możliwe. Potrafią oni wytworzyć splątanie stanów aż ośmiu naładowanych atomów. Pokazali, że nawet tak proste komputery kwantowe nadają się do wykonania nieskomplikowanych algorytmów. Wydaje się, że będzie można stosunkowo łatwo (choć stanowi to duże wyzwanie) rozszerzyć te metody na znacznie większą liczbę kubitów. Tak jak w standardowych komputerach będzie to wymagało łączenia różnych typów bramek logicznych, w tym przypadku kwantowych, składających się z zaledwie kilku uwięzionych jonów każda. Badacze mogą zaadaptować na potrzeby kwantowego świata konwencjonalne metody korekcji błędów, używając wielu mających ładunek atomów do zakodowania każdego kubitu.

Nadmiarowe zapisywanie informacji umożliwia systemowi tolerowanie błędów pod warunkiem, że będą się one pojawiały dostatecznie rzadko. W rezultacie tak skonstruowany komputer, aby spełniał swoją funkcję, prawdopodobnie będzie składać się z co najmniej tysięcy jonów uwięzionych za pomocą złożonego systemu elektrod umieszczonych na mikroskopijnym chipie.

Pierwszym warunkiem powstania "uniwersalnego" komputera kwantowego – takiego, który może wykonać dowolne obliczenie – jest niezawodna pamięć. Kubit raz wprowadzony w stan superpozycji stanów 0 i 1, czyli z orientacją magnesu jednocześnie w górę i w dół, musi pozostać w nim aż do momentu, gdy dane zostaną użyte lub odczytane. Badacze wiedzą od dawna, że jony w elektromagnetycznej pułapce są bardzo dobrymi pamięciami, z czasem życia superpozycji stanów (nazywanych też czasem koherencji) przekraczającym 10 min. Te względnie długie przedziały są wynikiem bardzo słabych oddziaływań pomiędzy jonami a otoczeniem.

Drugim ważnym czynnikiem konstruowania kwantowych komputerów jest możliwość manipulowania pojedynczymi kubitami. Jeśli są one realizowane w postaci orientacji magnesu związanego z pojedynczym jonem, można użyć trwających przez określony czas oscylujących pól magnetycznych. Zmieniają one wartości kubitu (z 0 na 1 lub odwrotnie) albo wprowadzają jon w stan superpozycji. Ze względu na małe odległości między jonami – rzędu kilku milionowych części metra – trudno zlokalizować oscylujące pole tylko na jednym z nich. Ma to istotne znaczenie, ponieważ często będziemy potrzebowali zmienić orientację pojedynczego atomu bez zmiany stanu sąsiadów. Można rozwiązać ten problem, używając wiązek światła laserowego zogniskowanych na wybranym kubicie.

Trzeci istotny warunek to możliwość uzyskania co najmniej jednego typu bramki logicznej zbudowanej z kubitów. Może ona być taka sama, jak klasyczna AND oraz OR, które są podstawowymi składnikami konwencjonalnych procesorów – ale musi także działać na superpozycję stanów, będącą wyłączną cechą kubitów. Powszechny dla dwukubitowych bramek jest wybór elementu kontrolowanej negacji (CNOT). Nazwijmy dwa wejściowe kubity A (bit kontrolny) i B. Jeśli wartość A wynosi 0, to bramka CNOT nie zmienia B; a gdy A równa się 1, przekształca ona B z 0 na 1 i odwrotnie [ramka powyżej]. Taki element nazywany jest też warunkową bramką logiczną, ponieważ działanie na B (czy jest on zmieniony, czy nie) zależy od stanu kubitu wejściowego A.

Do zbudowania warunkowej bramki logicznej na dwóch jonach jest niezbędne sprzężenie między nimi, innymi słowy muszą się ze sobą porozumiewać. Oba kubity mają dodatni ładunek, ich ruch jest silnie powiązany elektrostatycznie przez tzw. odpychanie kulombowskie. W 1995 roku Juan Ignacio Cirac i Peter Zoller, wówczas pracownicy Universität Innsbruck w Austrii, zaproponowali metodę polegającą na wykorzystaniu tego oddziaływania do sprzężenia wewnętrznych stanów dwóch jonów i realizacji bramki CNOT. Oto krótkie wyjaśnienie pewnej modyfikacji tej metody.

Na początek pomyślmy o dwóch piłeczkach w misce. Załóżmy, że mają one ładunek elektryczny i odpychają się. Obie kule starają się spaść do środka miski, ale odpychanie kulombowskie powoduje, że znajdują się na ściankach po przeciwnych stronach, każda trochę powyżej dna. W tym stanie będą się poruszać razem: mogą, na przykład, drgać tam i z powrotem wzdłuż linii je łączącej, zachowując jednak pewną odległość między sobą. Para kubitów w pułapce jonowej też tak będzie się poruszać, oscylować w jedną i drugą stronę jak dwa wahadła połączone sprężynką. Badacze mogą wzbudzić ten wspólny ruch, wykorzystując ciśnienie światła z wiązki laserowej modulowanej naturalną częstością pułapki.

Co ważniejsze, można tak zaprojektować układ, by wiązka laserowa wpływała na ruch jonu tylko wtedy, gdy jego orientacja magnetyczna jest skierowana "w górę", co odpowiada kubitowi o wartości 1. Ponadto te mikroskopijne magnesy obracają się w miarę oscylacji w przestrzeni o kąt zależny od tego, czy tylko jeden, czy oba atomy są w stanie 1. Ostatecznie, jeśli do jonów przyłożymy odpowiednio silną wiązkę laserową i dokładnie dobierzemy czas jej działania, otrzymamy bramkę CNOT. Gdy kubity znajdą się w stanie superpozycji, jej działanie splata jony, dokonując podstawowej operacji prowadzącej do wykonywania dowolnych kwantowych obliczeń przez wiele jonów.

Naukowcy z wielu laboratoriów – na przykład grupy z Universität Innsbruck, University of Michigan w Ann Arbor, National Institute of Standards and Technology (NIST) i University of Oxford – zademonstrowali działające bramki CNOT. Rzecz jasna, żadna z nich nie pracuje idealnie ze względu na ograniczające je czynniki, takie jak fluktuacje natężenia wiązki laserowej czy szum pochodzący z zewnętrznych pól elektrycznych, zakłócający pobudzony laserem ruch. Obecnie badacze potrafią zrobić dwubitową bramkę o "dobroci" trochę powyżej 99%, co oznacza, że prawdopodobieństwo błędu w jej działaniu jest mniejsze niż 1%. Użyteczny kwantowy komputer, z poprawnie działającymi procedurami naprawy błędów, powinien mieć dobroć około 99.99%. Aby uzyskać takie parametry, wszystkie grupy badawcze pułapkujące jony skupiają się głównie na zmniejszeniu szumów. Praca ta będzie uciążliwa, jednak nie ma żadnych fundamentalnych przeszkód w osiągnięciu wymarzonego przez nie celu.

Jonowe autostrady

Ale czy naprawdę badacze są w stanie stworzyć prawdziwy komputer z uwięzionych atomów? Niestety, wydaje się, że dłuższych łańcuchów jonów – takich, które zawierają ich więcej niż około 20 – nie da się kontrolować, gdyż ich kolektywne drgania będą ze sobą interferować. Zaczęto więc badać możliwość podziału kwantowego urządzenia na łatwiejsze w obsłudze części, czyli na krótkie ciągi wykonujące działania, które ponadto byłyby przenoszone z miejsca na miejsce na kwantowym chipie. Siły elektrostatyczne mogą przemieszczać łańcuch jonów bez zmiany wewnętrznego stanu, czyli z zachowaniem zapamiętanych danych. Można splątać dwa sznureczki jonów, przenieść dane i wykonać obliczenia wymagające wielu bramek logicznych. Uzyskana architektura przypominać będzie tę znaną z CCD (charge-coupled device) używaną w kamerach cyfrowych. Tak jak w CCD porusza się ładunkiem elektrycznym wewnątrz matrycy kondensatorów, w kwantowym chipie przesuwałoby się łańcuch pojedynczych jonów przez siatkę pułapek liniowych.

Wiele doświadczeń nad uwięzionymi jonami przeprowadzonych w NIST dotyczyło przemieszczania jonów przez wielostrefową pułapkę liniową. Rozszerzenie tych metod na znacznie większe układy będzie jednak wymagało zastosowania bardziej skomplikowanych struktur, z wieloma elektrodami mogącymi przesuwać jony w różnych kierunkach. Do ich uwięzienia i kontrolowania potrzebne będą bardzo małe elektrody o wymiarach mniej więcej od 10- do 100-milionowych części metra. Na szczęście konstruktorzy komputerów opartych na uwięzionych jonach mogą wykorzystywać techniki mikromanipulacji, takie jak systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) i litografia półprzewodnikowa, używane również podczas konstruowania zwykłych chipów.

W ostatnich latach kilka grup badawczych zademonstrowało działanie zintegrowanych pułapek jonowych. Naukowcy z University of Michigan i Laboratory for Physical Sciences z University of Maryland do konstrukcji kwantowego chipu używają struktur półprzewodnikowych z arsenku galu. Badacze z NIST rozbudowali pułapki o nowej geometrii z jonami unoszącymi się nad powierzchnią chipu. Grupy z Alcatel-Lucent i Sandia National Laboratories skonstruowały jeszcze bardziej wyrafinowane pułapki jonowe na krzemowych chipach. Cały czas jednak naukowcy mają pełne ręce roboty. Trzeba zmniejszyć atomowy szum generowany przez pobliskie powierzchnie, być może za pomocą chłodzenia elektrod ciekłym azotem lub helem. Badacze muszą też zręcznie zaplanować przemieszczanie się jonów w obrębie chipu, tak aby uniknąć ogrzewania cząstek i zakłócania ich położenia. Na przy kład przesuwanie jonów wokół prostego rogu w złączu T wymaga dokładnej synchronizacji sił elektrycznych.

Fotonowy łącznik

W międzyczasie inne zespoły wypróbowują alternatywną metodę zbudowania komputera na uwięzionych jonach, w której widzą szan sę na wyeliminowanie niektórych trudności w kontrolowaniu ruchu jonów. Zamiast ich łączenia poprzez oscylację do komunikacji między kubitami używają fotonów. W schema cie opartym na ideach opisanych w 2001 roku przez Ciraca, Zollera i ich kolegów – Lumin ga Duana z University of Michigan i Mikhaila Lukina z Harvard University – fotony są emi towane przez każdy z uwięzionych jonów tak, że ich cechy, takie jak polaryzacja lub kolor (długość fali), są splątane z wewnętrznym ma gnetycznym (kubitowym) stanem emitującego jonu. Następnie foton biegnie w światłowo dzie do urządzenia, w którym wiązka światła jest dzielona na dwie części. W tym ustawie niu jednakże ta aparatura działa odwrotnie: fotony dochodzą z dwóch stron i, jeśli mają tę samą polaryzację oraz kolor, interferują ze sobą i wychodzą z jednej tylko strony. Gdy natomiast fotony różnią się którąś cechą – co wskazuje, że uwięzione jony mają inne stany kubitu – fotony mogą poruszać się po różnych drogach do dwóch detektorów [ramka powy żej]. Ważnym punktem jest to, że po detekcji fotonów nie można określić, który jon wyemi tował dany foton – właśnie ten kwantowy pro ces prowadzi do splątania pomiędzy jonami.

Jednak wyemitowane fotony nie zawsze są rejestrowane przez detektor. W rzeczywistości przez większość czasu fotony są gubione i jony nie zostają splątane. Jednak istnieje możliwość naprawienia tego typu błędów poprzez wielokrotne powtarzanie pomiaru i czekanie na jednoczesną detekcję fotonów. W takim przypadku zmiana jednego z kubitów wpływa na stan drugiego, nawet jeśli jony znajdują się daleko od siebie. To właśnie umożliwia konstrukcję bramki logicznej CNOT.

Badaczom z University of Michigan i University of Maryland udało się splątać dwa kubity z uwięzionych jonów znajdujących się w odległości około 1 m od siebie za pomocą interferencji fotonów przez nie emitowanych. Największą przeszkodę w tych doświadczeniach stanowi niewielka szybkość generacji splątania; prawdopodobieństwo schwytania pojedynczych fotonów w światłowód jest tak małe, że jony stają się splątane tylko kilka razy na minutę. Mogłoby to odbywać się znacznie szybciej, gdyby każdy z jonów był umieszczony obok dobrze odbijających zwierciadeł, czyli w tzw. wnęce optycznej. Zwiększyłoby to znacząco sprzężenie emitowanego światła ze światłowodami. Niestety, to wzmocnienie bardzo trudno uzyskać. Jednak gdy interferencja w końcu wystąpi, układ w dalszym ciągu nadaje się do kwantowego przetwarzania informacji.

Naukowcy mogą rozszerzyć działanie kwantowych bramek na dużą liczbę kubitów, łącząc dodatkowe jony światłowodami i powtarzając całą procedurę splątywania tak długo, aż uzyskają większą liczbę splątanych jonów. Powinno być też możliwe splątanie wielu małych grup uwięzionych jonów na duże czy nawet wielkie odległości poprzez jednoczesne użycie łączności przez fotony i przez oscylacje. To jest właśnie idea "powtarzaczy kwantowych", w których małe kwantowe komputery znajdują się w sieci w określonych odległościach. Dzięki powtarzaczom kubity mogą być przesyłane na setki kilometrów. Bez nich dane byłyby na zawsze utracone.

Kwantowa przyszłość

Badacze mają przed sobą długą drogę do zbudowania kwantowego komputera rozwiązującego trudne problemy, do których zalicza się wspomniany już rozkład dużych liczb na czynniki pierwsze, czego w praktyce zwykłe maszyny nie są w stanie dokonać. Jednak niektóre cechy kwantowych komputerów znajdują już realne zastosowania. Na przykład proste operacje logiczne wykonywane przez dwukubitowe bramki można wykorzystać w zegarach atomowych, wyznaczających czas na podstawie częstości promieniowania emitowanego podczas przejścia atomu z jednego stanu kwantowego w drugi. Fizycy mogą zastosować techniki stanów splątanych do zwiększenia wydajności pomiarów w spektroskopii, czyli analizie światła emitowanego przez wzbudzone atomy.

Informatyka kwantowa obiecuje radykalne zmiany w regułach obliczeń. Zbiory uwięzionych jonów dają największą szansę na realizację tych zamierzeń, ponieważ zapewniają poziom izolacji od otoczenia nieporównywalnie lepszy niż jakikolwiek inny obecnie znany układ fizyczny. Używając laserów, naukowcy mogą szybko przygotowywać i mierzyć splątane kwantowe superpozycje niewielkiej liczby jonów. W nadchodzących latach będziemy świadkami powstawania nowej generacji chipów opartych na uwięzionych jonach, które mogą być wstępem do konstrukcji komputerów kwantowych zawierających większą liczbę kubitów. Wtedy naukowcy urzeczywistnią swój sen o maszynie wykonującej prace na miarę współczesnego Herkulesa.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 09/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Christopher R. Monroe, David J. Wineland | dodano: 2012-10-16
Jonowe maszyny cyfrowe

Naukowcy zrobili pierwszy krok w kierunku zbudowania bardzo wydajnych komputerów, w których do wykonywania obliczeń będzie się używać pojedynczych jonów.

Postęp techniczny w ostatnich dziesięcioleciach wpłynął na znaczne zwiększenie zarówno szybkości, jak i niezawodności działania komputerów. Współczesne mikroprocesory mieszczą prawie miliard tranzystorów na powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych krzemowego podłoża, a w przyszłości elementy komputerów zmniejszą się jeszcze bardziej, osiągając rozmiary pojedynczej cząsteczki. Przy takich i jeszcze mniejszych skalach wielkości urządzenia te będą zupełnie inne, ponieważ ich działanie zostanie podporządkowane prawom mechaniki kwantowej – tym zależnościom w fizyce, które tłumaczą zachowanie atomów i cząstek subatomowych.

Jedną z wielkich nadziei wiązanych z komputerami kwantowymi jest to, że będą one mogły wykonywać niektóre istotne operacje znacznie szybciej niż sprzęt używany obecnie. Do najlepiej znanych spośród nich należy rozkładanie dużych liczb na iloczyn liczb pierwszych. Dla komputerów ich mnożenie jest prostym zadaniem nawet wtedy, gdy liczby zawierają setki cyfr, ale operacja odwrotna – znajdowanie czynników pierwszych – jest na tyle trudna, że stała się podstawą niemal wszystkich sposobów szyfrowania danych, obecnie szeroko wykorzystywanych, od handlu w Internecie poczynając, a na przesyłaniu tajemnic państwowych kończąc. W 1994 roku Peter Shor, pracujący wówczas w Bell Laboratories, wykazał, że komputer kwantowy może łatwo, przynajmniej w teorii, łamać te szyfry, ponieważ rozkładałby liczby na czynniki pierwsze o wiele szybciej, niż daje się tego dokonać za pomocą znanych klasycznych algorytmów. W 1997 roku Lov K. Grover, również z Bell Laboratories, udowodnił, że komputer kwantowy może znacznie przyśpieszyć wyszukiwanie nieuporządkowanych informacji w bazach danych – na przykład znaleźć w książce telefonicznej czyjeś nazwisko na podstawie numeru telefonu.

Jednak budowa komputera kwantowego nie będzie sprawą łatwą. Kwantowy hardware – atomy, fotony lub sztucznie wytworzone mikrostruktury pamiętające dane w postaci kwantowych bitów – musi spełniać wzajemnie sprzeczne wymagania. Kubity należy dostatecznie dobrze odizolować od otoczenia, w przeciwnym razie ich przypadkowe oddziaływania ze światem zewnętrznym wstrzymają obliczenia. Ten destrukcyjny proces, zwany dekoherencją, to zmora kwantowych komputerów. Jednocześnie bity muszą silnie oddziaływać ze sobą oraz na koniec pozwolić się zmierzyć, aby można było poznać wynik ich obliczeń.

Naukowcy z różnych krajów już wielokrotnie podejmowali próby budowy prototypów komputerów kwantowych. Nasze własne badania koncentrują się na przetwarzaniu informacji przy użyciu jonów o pojedynczym dodatnim ładunku, czyli atomów, które zostały pozbawione jednego elektronu. Uwięziliśmy w próżni krótki łańcuch jonów – zamykając cząstki za pomocą pól elektrycznych wytwarzanych przez umieszczone w pobliżu elektrody. Jony mogą otrzymywać sygnały wejściowe za pośrednictwem laserów oraz wymieniać się danymi. Naszym celem jest zbudowanie skalowalnych komputerów kwantowych – tzn. układów zawierających setki, a nawet tysiące kubitów. Będą one w stanie wykonywać bardzo złożone obliczenia, zbyt skomplikowane dla innych maszyn.

Uwięzienie jonów

Mechanika kwantowa jest teorią opartą na pojęciu fal. Podobnie jak dźwięki wydobywające się z dwóch lub więcej strun fortepianu łączą się w akordzie, tak różne stany kwantowe mogą powiązać się w superpozycję. Atom na przykład może być jednocześnie w dwu lokalizacjach lub w dwóch różnych stanach wzbudzenia.

Pomiar stanu cząstki będącej w kwantowej superpozycji, zgodnie ze standardową interpretacją, powoduje, że przechodzi ona w któryś ze stanów. Prawdopodobieństwo uzyskania konkretnego wyniku jest dane przez względną zawartość fal w tej superpozycji [ramka poniżej]. Spodziewane możliwości obliczeniowe komputerów kwantowych wynikają właśnie z faktu istnienia tego zjawiska: w przeciwieństwie do zwykłego bitu, który ma wartość 0 lub 1, bit kwantowy może jednocześnie przyjmować obie. Zatem układ dwóch kubitów będzie miał naraz cztery wartości – 00, 01, 10 i 11. Ogólnie, jeśli kwantowy komputer będzie zbudowany z N kubitów, to może on jednocześnie manipulować 2N liczbami; 300 atomów, z których każdy ma po jednym kubicie, pamięta więcej wielkości, niż jest cząstek we Wszechświecie!

Takie wielkie kwantowe superpozycje są na ogół splątane – tzn., że wyniki pomiarów pojedynczych kubitów są skorelowane. Można to sobie wyobrazić jako niewidzialne połączenia pomiędzy cząstkami, nie ma ono swojego odpowiednika w fizyce klasycznej.

Takie związki Albert Einstein nazywał "upiornym oddziaływaniem na odległość". Na przykład w przeprowadzanych przez nas doświadczeniach z uwięzionymi jonami każdy z nich, lewitując w polu elektrycznym, zachowuje się jak mikroskopijny magnes, stany 1 i 0 tego kubitu odpowiadają orientacjom każdego z atomowych magnesów (np. "w górę" i "w dół"). Chłodzenie laserowe, za pomocą którego odbiera się energię kinetyczną atomom poprzez rozpraszanie fotonów, prowadzi do niemal całkowitego bezruchu jonów wewnątrz pułapki. W komorze próżniowej są one izolowane od otoczenia, lecz elektrostatyczne odpychanie pomiędzy nimi to silne oddziaływanie wytwarzające splątanie. Do kontrolowania oraz odczytu danych przechowywanych w kubitach używa się cieńszych niż ludzki włos wiązek laserowych skierowanych na poszczególne jony.

W ciągu kilku ostatnich lat badacze przeprowadzili wiele doświadczeń dowodzących, że wykonywanie obliczeń za pomocą uwięzionych jonów jest możliwe. Potrafią oni wytworzyć splątanie stanów aż ośmiu naładowanych atomów. Pokazali, że nawet tak proste komputery kwantowe nadają się do wykonania nieskomplikowanych algorytmów. Wydaje się, że będzie można stosunkowo łatwo (choć stanowi to duże wyzwanie) rozszerzyć te metody na znacznie większą liczbę kubitów. Tak jak w standardowych komputerach będzie to wymagało łączenia różnych typów bramek logicznych, w tym przypadku kwantowych, składających się z zaledwie kilku uwięzionych jonów każda. Badacze mogą zaadaptować na potrzeby kwantowego świata konwencjonalne metody korekcji błędów, używając wielu mających ładunek atomów do zakodowania każdego kubitu.

Nadmiarowe zapisywanie informacji umożliwia systemowi tolerowanie błędów pod warunkiem, że będą się one pojawiały dostatecznie rzadko. W rezultacie tak skonstruowany komputer, aby spełniał swoją funkcję, prawdopodobnie będzie składać się z co najmniej tysięcy jonów uwięzionych za pomocą złożonego systemu elektrod umieszczonych na mikroskopijnym chipie.

Pierwszym warunkiem powstania "uniwersalnego" komputera kwantowego – takiego, który może wykonać dowolne obliczenie – jest niezawodna pamięć. Kubit raz wprowadzony w stan superpozycji stanów 0 i 1, czyli z orientacją magnesu jednocześnie w górę i w dół, musi pozostać w nim aż do momentu, gdy dane zostaną użyte lub odczytane. Badacze wiedzą od dawna, że jony w elektromagnetycznej pułapce są bardzo dobrymi pamięciami, z czasem życia superpozycji stanów (nazywanych też czasem koherencji) przekraczającym 10 min. Te względnie długie przedziały są wynikiem bardzo słabych oddziaływań pomiędzy jonami a otoczeniem.

Drugim ważnym czynnikiem konstruowania kwantowych komputerów jest możliwość manipulowania pojedynczymi kubitami. Jeśli są one realizowane w postaci orientacji magnesu związanego z pojedynczym jonem, można użyć trwających przez określony czas oscylujących pól magnetycznych. Zmieniają one wartości kubitu (z 0 na 1 lub odwrotnie) albo wprowadzają jon w stan superpozycji. Ze względu na małe odległości między jonami – rzędu kilku milionowych części metra – trudno zlokalizować oscylujące pole tylko na jednym z nich. Ma to istotne znaczenie, ponieważ często będziemy potrzebowali zmienić orientację pojedynczego atomu bez zmiany stanu sąsiadów. Można rozwiązać ten problem, używając wiązek światła laserowego zogniskowanych na wybranym kubicie.

Trzeci istotny warunek to możliwość uzyskania co najmniej jednego typu bramki logicznej zbudowanej z kubitów. Może ona być taka sama, jak klasyczna AND oraz OR, które są podstawowymi składnikami konwencjonalnych procesorów – ale musi także działać na superpozycję stanów, będącą wyłączną cechą kubitów. Powszechny dla dwukubitowych bramek jest wybór elementu kontrolowanej negacji (CNOT). Nazwijmy dwa wejściowe kubity A (bit kontrolny) i B. Jeśli wartość A wynosi 0, to bramka CNOT nie zmienia B; a gdy A równa się 1, przekształca ona B z 0 na 1 i odwrotnie [ramka powyżej]. Taki element nazywany jest też warunkową bramką logiczną, ponieważ działanie na B (czy jest on zmieniony, czy nie) zależy od stanu kubitu wejściowego A.

Do zbudowania warunkowej bramki logicznej na dwóch jonach jest niezbędne sprzężenie między nimi, innymi słowy muszą się ze sobą porozumiewać. Oba kubity mają dodatni ładunek, ich ruch jest silnie powiązany elektrostatycznie przez tzw. odpychanie kulombowskie. W 1995 roku Juan Ignacio Cirac i Peter Zoller, wówczas pracownicy Universität Innsbruck w Austrii, zaproponowali metodę polegającą na wykorzystaniu tego oddziaływania do sprzężenia wewnętrznych stanów dwóch jonów i realizacji bramki CNOT. Oto krótkie wyjaśnienie pewnej modyfikacji tej metody.

Na początek pomyślmy o dwóch piłeczkach w misce. Załóżmy, że mają one ładunek elektryczny i odpychają się. Obie kule starają się spaść do środka miski, ale odpychanie kulombowskie powoduje, że znajdują się na ściankach po przeciwnych stronach, każda trochę powyżej dna. W tym stanie będą się poruszać razem: mogą, na przykład, drgać tam i z powrotem wzdłuż linii je łączącej, zachowując jednak pewną odległość między sobą. Para kubitów w pułapce jonowej też tak będzie się poruszać, oscylować w jedną i drugą stronę jak dwa wahadła połączone sprężynką. Badacze mogą wzbudzić ten wspólny ruch, wykorzystując ciśnienie światła z wiązki laserowej modulowanej naturalną częstością pułapki.

Co ważniejsze, można tak zaprojektować układ, by wiązka laserowa wpływała na ruch jonu tylko wtedy, gdy jego orientacja magnetyczna jest skierowana "w górę", co odpowiada kubitowi o wartości 1. Ponadto te mikroskopijne magnesy obracają się w miarę oscylacji w przestrzeni o kąt zależny od tego, czy tylko jeden, czy oba atomy są w stanie 1. Ostatecznie, jeśli do jonów przyłożymy odpowiednio silną wiązkę laserową i dokładnie dobierzemy czas jej działania, otrzymamy bramkę CNOT. Gdy kubity znajdą się w stanie superpozycji, jej działanie splata jony, dokonując podstawowej operacji prowadzącej do wykonywania dowolnych kwantowych obliczeń przez wiele jonów.

Naukowcy z wielu laboratoriów – na przykład grupy z Universität Innsbruck, University of Michigan w Ann Arbor, National Institute of Standards and Technology (NIST) i University of Oxford – zademonstrowali działające bramki CNOT. Rzecz jasna, żadna z nich nie pracuje idealnie ze względu na ograniczające je czynniki, takie jak fluktuacje natężenia wiązki laserowej czy szum pochodzący z zewnętrznych pól elektrycznych, zakłócający pobudzony laserem ruch. Obecnie badacze potrafią zrobić dwubitową bramkę o "dobroci" trochę powyżej 99%, co oznacza, że prawdopodobieństwo błędu w jej działaniu jest mniejsze niż 1%. Użyteczny kwantowy komputer, z poprawnie działającymi procedurami naprawy błędów, powinien mieć dobroć około 99.99%. Aby uzyskać takie parametry, wszystkie grupy badawcze pułapkujące jony skupiają się głównie na zmniejszeniu szumów. Praca ta będzie uciążliwa, jednak nie ma żadnych fundamentalnych przeszkód w osiągnięciu wymarzonego przez nie celu.

Jonowe autostrady

Ale czy naprawdę badacze są w stanie stworzyć prawdziwy komputer z uwięzionych atomów? Niestety, wydaje się, że dłuższych łańcuchów jonów – takich, które zawierają ich więcej niż około 20 – nie da się kontrolować, gdyż ich kolektywne drgania będą ze sobą interferować. Zaczęto więc badać możliwość podziału kwantowego urządzenia na łatwiejsze w obsłudze części, czyli na krótkie ciągi wykonujące działania, które ponadto byłyby przenoszone z miejsca na miejsce na kwantowym chipie. Siły elektrostatyczne mogą przemieszczać łańcuch jonów bez zmiany wewnętrznego stanu, czyli z zachowaniem zapamiętanych danych. Można splątać dwa sznureczki jonów, przenieść dane i wykonać obliczenia wymagające wielu bramek logicznych. Uzyskana architektura przypominać będzie tę znaną z CCD (charge-coupled device) używaną w kamerach cyfrowych. Tak jak w CCD porusza się ładunkiem elektrycznym wewnątrz matrycy kondensatorów, w kwantowym chipie przesuwałoby się łańcuch pojedynczych jonów przez siatkę pułapek liniowych.

Wiele doświadczeń nad uwięzionymi jonami przeprowadzonych w NIST dotyczyło przemieszczania jonów przez wielostrefową pułapkę liniową. Rozszerzenie tych metod na znacznie większe układy będzie jednak wymagało zastosowania bardziej skomplikowanych struktur, z wieloma elektrodami mogącymi przesuwać jony w różnych kierunkach. Do ich uwięzienia i kontrolowania potrzebne będą bardzo małe elektrody o wymiarach mniej więcej od 10- do 100-milionowych części metra. Na szczęście konstruktorzy komputerów opartych na uwięzionych jonach mogą wykorzystywać techniki mikromanipulacji, takie jak systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) i litografia półprzewodnikowa, używane również podczas konstruowania zwykłych chipów.

W ostatnich latach kilka grup badawczych zademonstrowało działanie zintegrowanych pułapek jonowych. Naukowcy z University of Michigan i Laboratory for Physical Sciences z University of Maryland do konstrukcji kwantowego chipu używają struktur półprzewodnikowych z arsenku galu. Badacze z NIST rozbudowali pułapki o nowej geometrii z jonami unoszącymi się nad powierzchnią chipu. Grupy z Alcatel-Lucent i Sandia National Laboratories skonstruowały jeszcze bardziej wyrafinowane pułapki jonowe na krzemowych chipach. Cały czas jednak naukowcy mają pełne ręce roboty. Trzeba zmniejszyć atomowy szum generowany przez pobliskie powierzchnie, być może za pomocą chłodzenia elektrod ciekłym azotem lub helem. Badacze muszą też zręcznie zaplanować przemieszczanie się jonów w obrębie chipu, tak aby uniknąć ogrzewania cząstek i zakłócania ich położenia. Na przy kład przesuwanie jonów wokół prostego rogu w złączu T wymaga dokładnej synchronizacji sił elektrycznych.

Fotonowy łącznik

W międzyczasie inne zespoły wypróbowują alternatywną metodę zbudowania komputera na uwięzionych jonach, w której widzą szan sę na wyeliminowanie niektórych trudności w kontrolowaniu ruchu jonów. Zamiast ich łączenia poprzez oscylację do komunikacji między kubitami używają fotonów. W schema cie opartym na ideach opisanych w 2001 roku przez Ciraca, Zollera i ich kolegów – Lumin ga Duana z University of Michigan i Mikhaila Lukina z Harvard University – fotony są emi towane przez każdy z uwięzionych jonów tak, że ich cechy, takie jak polaryzacja lub kolor (długość fali), są splątane z wewnętrznym ma gnetycznym (kubitowym) stanem emitującego jonu. Następnie foton biegnie w światłowo dzie do urządzenia, w którym wiązka światła jest dzielona na dwie części. W tym ustawie niu jednakże ta aparatura działa odwrotnie: fotony dochodzą z dwóch stron i, jeśli mają tę samą polaryzację oraz kolor, interferują ze sobą i wychodzą z jednej tylko strony. Gdy natomiast fotony różnią się którąś cechą – co wskazuje, że uwięzione jony mają inne stany kubitu – fotony mogą poruszać się po różnych drogach do dwóch detektorów [ramka powy żej]. Ważnym punktem jest to, że po detekcji fotonów nie można określić, który jon wyemi tował dany foton – właśnie ten kwantowy pro ces prowadzi do splątania pomiędzy jonami.

Jednak wyemitowane fotony nie zawsze są rejestrowane przez detektor. W rzeczywistości przez większość czasu fotony są gubione i jony nie zostają splątane. Jednak istnieje możliwość naprawienia tego typu błędów poprzez wielokrotne powtarzanie pomiaru i czekanie na jednoczesną detekcję fotonów. W takim przypadku zmiana jednego z kubitów wpływa na stan drugiego, nawet jeśli jony znajdują się daleko od siebie. To właśnie umożliwia konstrukcję bramki logicznej CNOT.

Badaczom z University of Michigan i University of Maryland udało się splątać dwa kubity z uwięzionych jonów znajdujących się w odległości około 1 m od siebie za pomocą interferencji fotonów przez nie emitowanych. Największą przeszkodę w tych doświadczeniach stanowi niewielka szybkość generacji splątania; prawdopodobieństwo schwytania pojedynczych fotonów w światłowód jest tak małe, że jony stają się splątane tylko kilka razy na minutę. Mogłoby to odbywać się znacznie szybciej, gdyby każdy z jonów był umieszczony obok dobrze odbijających zwierciadeł, czyli w tzw. wnęce optycznej. Zwiększyłoby to znacząco sprzężenie emitowanego światła ze światłowodami. Niestety, to wzmocnienie bardzo trudno uzyskać. Jednak gdy interferencja w końcu wystąpi, układ w dalszym ciągu nadaje się do kwantowego przetwarzania informacji.

Naukowcy mogą rozszerzyć działanie kwantowych bramek na dużą liczbę kubitów, łącząc dodatkowe jony światłowodami i powtarzając całą procedurę splątywania tak długo, aż uzyskają większą liczbę splątanych jonów. Powinno być też możliwe splątanie wielu małych grup uwięzionych jonów na duże czy nawet wielkie odległości poprzez jednoczesne użycie łączności przez fotony i przez oscylacje. To jest właśnie idea "powtarzaczy kwantowych", w których małe kwantowe komputery znajdują się w sieci w określonych odległościach. Dzięki powtarzaczom kubity mogą być przesyłane na setki kilometrów. Bez nich dane byłyby na zawsze utracone.

Kwantowa przyszłość

Badacze mają przed sobą długą drogę do zbudowania kwantowego komputera rozwiązującego trudne problemy, do których zalicza się wspomniany już rozkład dużych liczb na czynniki pierwsze, czego w praktyce zwykłe maszyny nie są w stanie dokonać. Jednak niektóre cechy kwantowych komputerów znajdują już realne zastosowania. Na przykład proste operacje logiczne wykonywane przez dwukubitowe bramki można wykorzystać w zegarach atomowych, wyznaczających czas na podstawie częstości promieniowania emitowanego podczas przejścia atomu z jednego stanu kwantowego w drugi. Fizycy mogą zastosować techniki stanów splątanych do zwiększenia wydajności pomiarów w spektroskopii, czyli analizie światła emitowanego przez wzbudzone atomy.

Informatyka kwantowa obiecuje radykalne zmiany w regułach obliczeń. Zbiory uwięzionych jonów dają największą szansę na realizację tych zamierzeń, ponieważ zapewniają poziom izolacji od otoczenia nieporównywalnie lepszy niż jakikolwiek inny obecnie znany układ fizyczny. Używając laserów, naukowcy mogą szybko przygotowywać i mierzyć splątane kwantowe superpozycje niewielkiej liczby jonów. W nadchodzących latach będziemy świadkami powstawania nowej generacji chipów opartych na uwięzionych jonach, które mogą być wstępem do konstrukcji komputerów kwantowych zawierających większą liczbę kubitów. Wtedy naukowcy urzeczywistnią swój sen o maszynie wykonującej prace na miarę współczesnego Herkulesa.