Kvantna tekma, v kateri zmagamo vsi

Več kot stoletna tradicija ameriškega tehnološkega giganta IBM je lahko hkrati prednost in breme. Le kateri strokovnjak bi zavrnil ponudbo podjetja, ki je izumilo luknjano kartico, pisalni stroj, na trg poslalo prvi osebni računalnik, pomagalo pri prvi presaditvi srca in pripomoglo, da je človek prvič stopil na Luno? Pa z računalnikom Deep Blue leta 1997 spravilo na kolena šahovskega svetovnega prvaka Garija Kasparova in razvilo prvi računalniški letalski sistem za rezervacijo kart?

Tudi zaradi navade biti prvi je IBM zabolelo nekoliko bolj kot sicer, ko je Google konec oktobra sporočil, da je prvi na svetu dosegel kvantno prevlado – izdelal je kvantni računalnik, sposoben rešiti problem, ki na običajnem superračunalniku v človeškem času ni rešljiv. Konkretneje: Googlov računalnik s 53 kubiti je v dobrih treh minutah rešil problem, za katerega bi klasični računalnik potreboval deset tisoč let. Kot je takrat v Delu zapisal Matej Huš, znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu, so osnovni sestavni del kvantnih računalnikov kubiti (kvantni biti), ki v nasprotju z biti niso v enem stanju (0 ali 1), temveč v superpoziciji obeh stanj hkrati. »To čudežno lastnost črpajo iz kvantnega sveta, kjer je nekaj običajnega, in jo izkoristijo pri poganjanju algoritmov. Ko povečujemo število kubitov, rastejo tako zmogljivost računalnika kakor tudi kompleksnost in zahtevnost postopka.«

IBM je dve leti pred tem izdelal in preizkusil prototip s petdesetimi kubiti – dotedanji rekord je bil 17 kubitov. A se s kvantno prevlado niso mogli pohvaliti, saj v primerjavi z običajnimi superračunalniki ni pomenil zadostne prednosti. In prav to so letos očitali Googlu: pri IBM so izračunali, da bi se tudi z običajnim računalnikom ta problem dalo rešiti v dveh dneh in pol, če bi algoritem optimizirali do skrajnosti. So pa priznali, da je Google prvi v praksi pokazal, da so kvantni računalniki lahko hitrejši. Mimogrede, pred dobrim tednom dni je vstop v »kvantno tekmo« napovedal Amazon.
Mikroskop za kvantne čase

IBM se tako morda lahko tolaži s primerjavo iz vesoljske tekme: Sovjetska zveza je res prva poslala človeka v vesolje, najbolj vredno trofejo pa so s prvim korakom na Luni pobrali Američani. Googlov računalnik je zgolj uvod v svet kvantnega računalništva. IBM ima svoje načrte, zato ni bilo presenetljivo, da so bili kvantni računalniki osrednja tema predavanj, ki jih je organiziral v svojem raziskovalnem laboratoriju v Zürichu.

Raziskovalno-razvojni oddelek IBM ima dvanajst centrov, v Evropi poleg züriškega še tistega na Irskem. V največjem švicarskem mestu so pred leti sodelovali pri razvoju superračunalnika SuperMUC, ki uporablja vodno hlajenje s toplim dotokom. Sredi osemdesetih sta znanstvenika, zaposlena v züriškem laboratoriju, prejela Nobelovi nagradi za fiziko – najprej Heinrich Rohrer za razvoj vrstičnega tunelskega mikroskopa (STM), nato Karl Alexander Müller za vlogo pri raziskovanju visokotemperaturnih superprevodnikov.

Novinarjem, ki smo obiskali laboratorij, so IBM-ovi znanstveniki bolj kot o preteklih govorili o prihajajočih dosežkih. V reviji Science so objavili članek z naslovom Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface, v katerem so prikazali, da lahko uporabimo posamezne atome kot kubite, kar bo imelo pomembno vlogo v kvantnem računalništvu. V ta namen so prvič uporabili vrstični tunelski mikroskop – prav takšnega, za kakršnega je Rohrer pred več kot tremi desetletji dobil Nobelovo nagrado. »To je pomemben preboj, saj s STM lahko premikamo vsak atom (kubit) in s tem natančno nadzorujemo razporeditev bližnjih atom (kubit),« so zapisali.

Plesanje in prepletanje

Atom – v članku navajajo titanovega – v stanje kvantne superpozicije postavijo s pomočjo visokofrekvenčnih radijskih valov, ki atom vzbudijo. Titanov atom ima neničelni spin, zaradi česar se obnaša kot majhen magnet. Vzbujeni atomi na površini tam tudi ostanejo, a jih lahko upravljamo. Če so radijski valovi primerne frekvence, ki ustreza energiji prehodov med različnimi spinskimi stanji titanovega atoma (torej jih ujamemo v resonanco), lahko spin atoma poljubno spreminjamo. Odvisno od trajanja obsevanja se lahko spin atoma na koncu poravna navzgor ali navzdol, kar ustreza stanjema 0 ali 1. Lahko pa ga ustavimo tudi v superpoziciji, ki leži vmes med obema stanjema. »S tem lahko ustvarimo katerokoli stanje superpozicije, ki ga želimo,« so sporočili iz IBM. To je prvi korak do kvantnega računalnika.

Če pa želimo uporabiti več kubitov, morajo biti ti prepleteni. To pomeni, da stanje enega vpliva na stanje drugega in da ju lahko opišemo le skupaj. IBM lahko tako hkrati upravlja z dvema atomoma in doseže kvantno prepletenost. »Ta lastnost prepletanja je ključna za kvantno računanje. Lastnosti prepleta lahko nadzorujemo s prilagajanjem razdalje med atomi ter z izbiro trajanja in frekvence radijskih valov,« navajajo v IBM. Gre za le enega od mnogih projektov, vendar so v podjetju prepričani, da lahko veliko pripomore k razvoju novih tehnik kvantnega računalništva.

Sodelovanje

Morda je bralec zaradi primerjave z vesoljsko tekmo dobil občutek, da med IBM in Googlom vlada velika napetost, ki nemara meji celo na sovraštvo. Realnost bi bila težko bolj drugačna. Četudi si tehnološka giganta – prav tako kot Intel, Microsoft in nazadnje Amazon – prizadevata za čim hitrejši napredek in posledični primat v kvantnem računalništvu, sodelujeta pri več skupnih projektih. Eden izmed njih je Enotni sklad (Unitary Fund), neprofitni program, ki si prizadeva za razvoj ekosistema kvantne tehnologije, ki bo koristil večini ljudi. Ta sklad podpira ljudi vseh narodnosti in poklicev, ki bi se radi ukvarjali s kvantno tehnologijo, da se preizkusijo, četudi nimajo ustrezne izobrazbe. »Nastajajoča kvantna industrija je novo področje in se giblje tako hitro, da bi zamudili veliko priložnost, če bi čakali izključno na ljudi z doktoratom.« Tudi zato so se pri IBM odločili, da podprejo sklad – prav tako kot Google oziroma Alphabet, Microsoft ter še nekateri posamezniki in manjša podjetja.