Kvantiniai supersmegenys Lenktynėse dėl kvantinio kompiuterio sukūrimo yra rungiamasi dėl labai didelio prizo: siekiama sukurti skaičiavimo mašiną, kuri sugebėtų modeliuoti pačius sudėtingiausius ir paslaptingiausius visatoje vykstančius procesus greitai ir be ypatingų pastangų, prie kurios šiandieniniai kompiuteriai šalia jos atrodytų kaip seni kuinai. Kai kurie lenktynių dalyvių pasiekimai jau sugebėjo patraukti plačiosios visuomenės dėmesį. Gal būt jų visų laukia tokios sudėtingos kliūtys ir toks tolimas kelias, kad niekas taip ir nesugebės pasiekti finišo? Jeigu taip atsitiktų, tai nebūtų pirmas kartas. Prieš keturiasdešimt metų mokslininkai tvirtino galį panaudoti termobranduolinę reakciją ir tokiu būdu gaminti pigią ir ekologiškai švarią elektros energiją. Šiandien iki tokių elektrinių statybos pradžios yra toliau nei kada nors iki tol. Technologijai peržengus ištirtas mokslo ribas visada tenka stipriai rizikuoti. Niekas nepasakys, kokie neįsivaizduojamai sudėtingi dalykai atsiras jūsų kelyje, kokie nauji fizikos dėsniai užtvers jums kelią į sėkmę. Kvantinius kompiuterius kuriantiems fizikams įveikus dar kelias keblias kliūtis jų svajonės gali labai greitai virsti jiems košmaru.
Kodėl, nepaisant visų tų sunkumų, taip stengiamasi sukurti kvantinį kompiuterį? Atsakymas slypi pačioje tokio kompiuterio naudojamos informacijos prigimtyje. Kalbant apie įprastinę informaciją, turima galvoje dvinario kodo vienetai ir nuliai, bet visa tai pasikeičia, kai imamos naudoti kvantinės dalelės. Tada informacija pasidaro keista, nežemiška substancija, nes kvantiniai bitai arba kubitai vienu metu gali būti ir vienetais, ir nuliais. Juos pradedant apdoroti kvantiniame kompiuteryje, gali atsitikti nepaprasti dalykai. Pažiūrėkime, pavyzdžiui, į elektrono sukinį. Jį galima įsivaizduoti kaip besisukantį krepšinio kamuolį, kurio ašis būna nukreipta aukštyn arba žemyn. Tarkime, kad sukinys “aukštyn” atitinka “0”, o sukinys “žemyn” atitinka “1”. Tačiau elektronas gali atsidurti ir tokioje būsenoje, kuri apibūdinama būsenų su sukiniais “aukštyn” ir “žemyn”, arba “0” ir “1”, superpozicija. Jeigu tokį elektroną – vaiduoklį panaudosime skaičiuojant, galėsime atsakymą gauti ir “0”, ir “1”. Tai reiškia, kad už tą pačią kainą galėsime atlikti du skaičiavimus.
Jeigu vienas kubitas yra dviejų būsenų superpozicija, tai pora kubitų gali būti jau keturių būsenų superpozicija. Tos būsenos gali būti pažymėtos 00, 01, 10 ir 11 (reiškia, kad abu sukiniai nukreipti žemyn, pirmas žemyn, o antras aukštyn, ir taip toliau.) Taigi, turint du kubitus, sistema gali tuo pačiu metu būti vienoje, keliose ar visose keturiose būsenose. Tai leidžia vienu metu atlikti keturis skaičiavimus. Toliau viskas darosi išties įdomu. Pagal tą pačią logiką, trys kubitai reikš aštuonių būsenų superpoziciją, keturi – 16, penki – 32, ir taip toliau. Toks eksponentiškas augimas reiškia, kad vos su keliais šimtais kubitų įmanoma vienu metu atvaizduoti daugiau skaičių, negu yra atomų visoje Visatoje. Šalia pasiekusių tokią skaičiavimo galią kvantinių kompiuterių šiandieniniai superkompiuteriai atrodys lyg menki kišeniniai kalkuliatoriai. Kvantiniai kompiuteriai įveiks pačius sudėtingiausius šifrus, išspręs iki šiol neišsprendžiamus uždavinius, o jų apdorojami modeliai bus tokie autentiški, kad juos bus neįmanoma atskirti nuo realybės. Vienos universiteto fizikas Antonas Zeilingeris įsitikinęs, jog tai yra tik pradžia: “pasižiūrėkime, kam pradžioje buvo naudojami įprastiniai kompiuteriai ir kokiose srityse jie yra naudojami šiandien. Niekas tuomet to negalėjo net įsivaizduoti”. Būtent dėl to, kas pirmas sukurs kvantinį kompiuterį lenktyniauja viso pasaulio fizikai, kuriuos ragina skubėti nervingos vyriausybės, kompiuterių galios ištroškę kariškiai ir apie pelnus svajojančios kompanijos.
Tačiau kvantinio kompiuterio sukūrimas yra ryžtą smukdanti užduotis. Informacijai saugoti naudojamos kvantinės būsenos yra labai trapios: pakanka tik žvilgtelėti į superpoziciją – ir ji iškart virsta viena paprasta būsena. Tai reiškia, kad pats skaičiavimo rezultato perskaitymas yra labai keblus dalykas, o kvantinio kompiuterio programos turės būti kiek įmanoma paprastesnės.
Sąveika su aplinka taip pat suardo kvantines būsenas – ši problema yra vadinama dekoherentiškumu. Todėl kubitai privalo likti izoliuoti vienas nuo kito. Kita vertus, jie turi kažkaip sąveikauti vienas su kitu, nes kompiuteris logikos operacijas galės atlikti tiktai derindamas kubitus tarpusavyje. Yra du operacijos būdai, iš kurių galima išvesti visas kitas operacijas. Pirmuoju operacijos būdu pavienis kubitas apverčiamas: jeigu jo superpozicija sudaryta iš labai mažos dalies “0” ir didžiosios dalies “1”, jo didžiausią dalį sudarys “0” ir truputį “1”. Tai, pavyzdžiui, galima padaryti praleidžiant elektronus per magnetinį lauką, apverčiantį jų sukinius. Antroji operacija yra atliekama valdomos NOT arba CNOT (controlable NOT) užtūros, kurios vieną kubitą verčia į kitą priklausomai nuo to, kokia yra kito kubito būsena. Tam, kad tai įvyktų, kubitas turi kažkaip jausti kito kubito buvimą ir sugebėti jį paveikti. Kvantinis kompiuteris turi sugebėti šitokiu būdu manipuliuoti daugybe kubitų, kurių kiekvienas turi būti apsaugotas nuo dekoherentiškumo ir sugebėti sąveikauti su visais kitais kubitais. Tai nėra paprasta. Dar dešimtojo dešimtmečio viduryje mokslininkai atrado kaip tai galima padaryti. Pasitelkus pradžioje medicinai kurtą technologiją, vadinama branduolio magnetiniu rezonansu (BMR), informaciją galima saugoti giliai molekulėse (jų atomų branduolių sukiniuose). Branduolio sukinių privalumas yra tas, kad jie yra beveik visiškai atkirsti nuo aplinkos – jie beveik nesąveikauja su savo aplinka. Kadangi besisukantys branduoliai veikia kaip mažyčiai magnetukai, jų būsenas galima valdyti naudojant magnetinius laukus arba radijo bangų elektromagnetinius laukus. Stipriame magnetiniame lauke jų sukiniai ima vinguriuoti šiek tiek skirtingais dažniais priklausomai nuo cheminės branduolio aplinkos. Radijo bangomis, kurios yra suderintos atitinkamai rezonansiniam dažniui, užkabinus molekulę galima atskirai paveikti kiekvieną joje esantį branduolį. Skaičiavimai naudojant chloroformą Molekulės, galinčios veikti kaip dviejų kubitų kompiuteris, pavyzdys yra chloroformas (CHCl3). Ji turi vieną vandenilio ir vieną anglies branduolį. Kvantinio skaičiavimo metu prijungiamas magnetinis laukas, o po to į molekulę paleidžiama eilė radijo impulsų, kuriuose yra užkoduota 1 ir 2 kubitų operacijų seka. Vieno kubito apvertimas yra gana paprastas – pakanka apspinduliuoti molekulę jo rezonanso dažniu. 2 kubitų operacija yra sudėtingesnė. Du branduoliniai magnetai tiesiogiai nesąveikauja, o juos tarpusavyje jungia supantys elektronai, veikiantys iš dalies panašiai į savotišką spyruoklę. Šios sąveikos stipris priklauso nuo abiejų branduolių magnetinių būsenų, todėl ją galima panaudoti kuriant CNOT užtūrą. Jei, pavyzdžiui, vandenilio sukinys bus nukreiptas aukštyn, tam tikro dažnio radijo impulsas taip timptelės jungiančiąją spyruoklę, kad apsivers ir anglies sukinys. Jeigu vandenilio sukinys būna nukreiptas žemyn, jungiančioji spyruoklė esti jautri kitiems dažniams, todėl tas pats radijo impulsas anglies sukiniui visai nedaro įtakos. Molekulėms esant didesnėms, jose yra daugiau įvairių cheminės aplinkos apsuptų branduolių, todėl kubitų būna daugiau. Iš tiesų, kelios grupės yra sukūrusios veikiančius BMR kompiuterius, galinčius naudoti iki septynių kubitų. Sklinda gandai, kad egzistuoja net ir 10 kubitų skaičiavimo mašina. Bet čia vadinamajai skystajai BMR mašinai ima trūkti garo. “Viskas baigiasi, kai yra pasiekiama 15 kubitų”, – sako Leo Kouwenhovenas, fizikas iš Delfto technologijos universiteto Olandijoje. Taip yra dėl to, kad nuskaitant skaičiavimo rezultato duomenis būtina išmatuoti magnetinį lauką, sukuriamą perorientuoto branduolio sukinio, bet signalas yra toks silpnas, kad tenka naudotis milžinišku molekulių skaičiumi. Be to, dar blogiau, kad pradžioje chloroformo molekulės būna atsitiktinėse sukinio būsenose ir visa tai maišo išskirti išvesties signalą. Didėjant kubitų skaičiui signalas sparčiai silpsta, o tai reiškia, kad reikia naudoti dar daugiau molekulių. Iki šiol pagamintų BMR kompiuterių tirpiklyje jau yra apie 1023 plaukiojančių molekulių. Iki signalui galutinai išnykstant mokslininkai nesitiki sugebėsią susidoroti su daugiau nei tuzinu kubitų. Išties, naudingame kvantiniame kompiuteryje turėtų būti apie 100 kubitų. Kai jų tebūna 10 ar 12, skystasis BMR kompiuteris tegali atlikinėti mokyklinius aritmetikos darbus. BMR, lenktyniaujant dėl kvantinio kompiuterio, nėra rimtas varžovas. Aišku, reikia kažkokios technologijos, kuri leistų nuskaityti atskiros kvantinės sistemos būseną. Daug žadantys, atrodo, esą jonai, nes šviesa leidžia nuskaityti netgi vieno vienintelio jonizuoto atomo sukinio būseną. Negana to, mokslininkai jau išmoko magnetinėse gaudyklėse sulaikyti po joną. Kadangi jono branduolyje galima įrašyti kubitą, jie netruko suvokti, kad sudėję į gaudyklę du ar daugiau jonus jie galės sukurti paprastą kvantinės logikos užtūrą. Iki labai žemos temperatūros atšaldyti jonai elektromagnetiniu lauku laikomi tvirtai dviejose dimensijoje, o trečiojoje – tik silpnai (žr. pav.). Jonai vienas kitą atstumia ir išsirikiuoja tiesėje vienodais atstumais, panašiai kaip karoliukai ant stangrios spyruoklės. Vienu atveju yra vartojami berilio jonai, iš kurių kiekvienas sudaro dviejų kubitų loginę užtūrą. Vienas kubitas yra įrašomas elektrono, besisukančio apie joną energijos lygmenyje, o antrasis svyruojančio jono būsenoje gaudyklės viduje. Abi šias būsenas gali paveikti kvantinės superpozicijos: elektronas gali būti ir žemos, ir aukštos energijos lygmenyse, o jonas gali arba svyruoti, arba ne. Tų dviejų kubitų sąveikai sukelti ir CNOT operacijai vykdyti galima naudoti lazerį. Lazerio fotonas turės reikiamą energiją ir bus rezonanse su jonu keisdamas jo svyravimus tiktai tada, kai elektronas turės tam tikrą, konkrečią energiją. Jonų esant daugiau nei vienam, jų svyravimas persiduoda išilgai spyruoklės kaip perduodama informacija kompiuterio duomenų magistralėje. Davidas Winelandas, JAV Nacionalinio standartų ir technologijos instituto iš Boulderio miesto fizikas, jau pademonstravo, kad iš keturių jonų sudarytą grandinėlę taip valdyti yra įmanoma, ir su tais keturiais jonais atliko 2 kubitų logines operacijas. Bet Winelandui ir jo kolegoms iš viso pasaulio netrukus teks susidurti su sunkiai įveikiamu dekoherentiškumo barjeru. Kai kurios kvantinės būsenos yra gerokai trapesnės negu kitos. BMR branduolių sukiniai, lyginant juos su jonų vibracinėmis būsenomis, yra tikros tvirtovės. Kadangi jonai turi elektros krūvį, bet koks pašalinis elektrinis laukas gali sukelti nepageidaujamus jų svyravimus ir dėl to kvantinė informacija pavirs kvantine tarškalyne. Kadaise buvo manyta, jog dekoherentiškumo problema yra tokia neįveikiama, kad kvantiniai kompiuteriai niekada neveiks. Tačiau 1995 m. Peteris Shoras iš AT&T Bello laboratorijų ir Andrew Steane iš Oksfordo universiteto sukūrė jos pažabojimo planą. Jeigu pavyks kvantinę informaciją perduoti iš vienos dalelės kitai iki dekoherentiškumui ją ištrinant, informacija išliks nepakitusi be galo ilgai. Bet tokio plano sėkmei labai svarbu yra tai, kad kubitai liktų koherentiški bent iki juos perduodant toliau. Winelandas mano, kad branduolių sukinių būsenoms tatai padaryti pavyks, bet kaip bus su vibracinėmis būsenomis, yra neaišku. Yra ir dar viena problema. Reikia užtikrinti ryšį tarp atskirų loginių užtūrų. Neužtikrinus ryšio visas šis jonų gaudyklės kompiuteris bus ne galingesnis už supermarketo kasos aparatą. Todėl Winelandas ir jo grupė ėmė ieškoti būdų, sukurti tokią jungtį. Apie grandinėlės papildymą jonais neverta nė kalbėti, kadangi vibracinių modų skaičius greitai padidėtų ir taptų nevaldomas. Vietoj to jis tikisi fiziškai pernešti jonus iš vienos gaudyklės į kitą. Kol kas to padaryti dar nepavyko. Winelandas sako, kad tokios nors ir trumpos kelionės metu jonai perkaista, o tai sunaikina jų nešamą informaciją. “Mes nežinome, kokia yra to kaitimo priežastis. Niekas iki šiol tokių eksperimentų nėra atlikęs”, – sako jis. Jonams alternatyva galėtų būti neutralūs atomai, kurioms nedarytų įtakos pašaliniai elektriniai laukai. Kubitai būtų įrašomi apie savo branduolius esant besisukančių elektronų energijos būsenai. Apšvietus tinkamo bangos ilgio fotonu, elektroną būtų galima kilstelėti į aukštesnį energijos lygį, o elektronui grįžtant atgal į pagrindinę būseną, būtų išspinduliuojamas fotonas. Taigi sužadintoje būsenoje esantis atomas galėtų, pavyzdžiui, vaizduoti “1”, o pagrindinėje būsenoje esantis atomas vaizduotų “0”. Atomai pasikeistų tarpusavyje informacija per fotonus, uždarytus į veidrodžių apribotą rezonatorių. Ši schema turi trūkumą, nes fotonų siuntimui ir priėmimui naudojamos atominės būsenos turi būti labai nestabilios, kitaip jos niekada nepaleis savųjų fotonų – vėlgi, tai daro jas labai neatsparias dekoherentiškumo reiškiniui. Negana to, patys rezonatoriai niekuomet nebus visiškai tobuli: dalis šviesos, taip pat ir dalis informacijos visada prasiverš iš rezonatoriaus. Taigi, neutralūs atomai vargu ar bus tinkamiausias sprendimas kvantiniam kompiuteriui. Svajonės apie silicį Daug mokslininkų mano, kad visi šie būdai, kai naudojami pavieniai jonai ar atomai, yra pernelyg gremėzdiški ir jų niekada nepavyks pasitelkti kuriant didelį kvantinį kompiuterį, operuojantį šimtais kubitų. Jie sako, kad tam yra reikalingas vienoks ar kitoks tvirtas daiktas, kažkas panašaus į kompiuterinius lustus iš silicio kristalo. Davidas DiVincenco, IBM mokslinio centro Yorktown Heights fizikas, 1998 m. pasiūlė vieną pirmųjų tokio tipo kvantinių kompiuterių, todėl galėtų būti pelnytai vadinamas kietakūnių kvantinių kompiuterių evangelistu. “Mes žinome, ką reikia padaryti. Tereikia tik pradėti veikti”, – tvirtina jis. DiVincenco idėja, kurią jis pasiūlė kartu su Danielu Lossu iš Šveicarijos Basle universiteto, remiasi tuo, kad kubitų užrašymui yra naudojami atskirų elektronų sukiniai, o patys elektronai yra prie silicio lusto paviršiaus saugomi dariniuose, kurie yra vadinami kvantiniais taškais. Po kiekvienu kvantiniu tašku įtaisyti elektrodai privers sukinius apsiversti arba sukels dviejų greta esančių elektronų banginių funkcijų persiklojimą. Šitaip elektronai sąveikaus tarpusavyje ir bus galima vykdyti 2 kubitų operacijas. Operacijos rezultatą bus galima išmatuoti pasitelkus magnetinį įtaisą, atskiriantį aukštyn ir žemyn nukreiptus sukinius. Jeigu idėja pasirodys esanti teisinga, silicio gabalėlyje bus galima sukurti daug milijonų tokių taškų. Kouwenhovenui pavyko šitaip pagaminti vieną kubitą, o per artimiausius ketverius metus jis tikisi pasigaminti ir 3-4 kubitų procesorių. Tačiau jis pripažįsta, kad tai padaryti bus nelengva. Dekoherentiškumas vėl yra svarbiausioji kliūtis: kaip ir jonai, elektronai yra labai jautrūs visiems pašaliniams elektriniams laukams. Nėra neįmanoma, kad kvantinės būsenos, sudarytos iš daug dalelių, galėtų būti labiau stabilios. Keletas grupių žaidžia su superlaidumu, kvantiniu reiškiniu, elektros srovę pernešant be jokios varžos. 1999 m. Olandijoje grupė Delfto technologijos universiteto mokslininkų sukūrė superlaidų grandyną, kuriame srovė tekėdavo ir pagal, ir prieš laikrodžio rodyklę, sudarydama tam tikrą dviejų kvantinių būsenų superpoziciją. Tokius grandynus nebūtų sudėtinga perkelti į lustus, kuriuos, fizikų nuomone, bus galima surinkti į vieną didelį kompiuterį. Deja, dar per anksti kalbėti netgi apie 2 kubitų operacijas, kurių prireiks paprasčiausiems skaičiavimams, o ir į fundamentalų klausimą, ar tokia kvantinė sistema bus stabilesnė už vieną kvantinę dalelę, mokslininkai dar negali atsakyti. Pati tobuliausia iš visų žinomų kietakūnių koncepcijų yra BMR lustas, pasiūlytas Bruce Kane iš Marylando universiteto. Jis siūlo į silicį įterpti fosforo atomų matricą ir virš kiekvieno atomo įtaisyti po elektrodą. Tuomet kubitus būtų galima įrašyti į kiekvieno atomo branduolinius sukinius, o pakeitus ties kokiu nors atomu elektros įtampą pasikeistų radijo bangų dažnis, į kurias to atomo branduolys reaguoja. Kadangi kiekvieno atomo įtampą tai būtų galima keisti nepriklausomai nuo kitų, galima bus individualiai adresuoti kiekvieną branduolį. Fosforo atomai būtų pakankamai arti vienas kito, todėl jų išoriniuose sluoksniuose esančių elektronų sąveiką irgi būtų galima valdyti naudojant šiuos elektrodus, dviejų kubitų operacija atlikti kubitą perduodant iš branduolio išoriniams elektronams, o po to leidžiant pastariesiems sąveikauti su kaimyniniais atomais. Australijos Naujojo Pietų Velso universiteto Kvantinių kompiuterių centre Robertas Clarkas vadovauja grupei pasiryžusiai pagaminti Kane kompiuterį. Jie turi išmokti padėti fosforo atomus į konkrečias jiems skirtas vietas, neleisti jiems difunduoti ir po to tiksliai virš kiekvieno atomo sukurti po elektrodą. Kovo mėnesį australų grupė pranešė pagaminusi paprastą lustą – tai yra jau dėmesio vertas pasiekimas. Deja, kol kas grupė nesugeba perskaityti luste esančios kvantinės informacijos, todėl negali pasakyti, ar lustas veikia taip kaip tikėtasi, ar ne. Kita grupė (iš Kembridžo universiteto, Anglijoje) nutarė vietoj fosforo naudoti natrio atomus, nes juos galima įstumti į reikiamą silicio vietą elektriniu lauku. Bet ir ši idėja nepadėjo sukurti kvantinio kompiuterio. Taigi, nei elektronai, nei jonai ar atomai artimiausiu metu neturėtų atvesti prie kvantinio kompiuterio sukūrimo. Bet yra dar viena kvantinė dalelė, su kuria fizikai ypač mėgsta žaisti – fotonas. Fotonai yra stebėtinai patvarūs: normaliomis sąlygomis jie sunkiai sąveikauja su kitomis dalelėmis, o ypač nenoriai sąveikauja vienas su kitu. Ar turint šią natūralią apsaugą nuo dekoherentiškumo fotonai nebus tos kvantinės dalelės, kurios idealiai tinka kvantiniam kompiuteriui? Tiesą sakant, ne. Fotonų nesugebėjimas sąveikauti vienas su kitu reiškia, kad normaliomis sąlygomis dviejų kubitų operacijos yra beveik neįmanomos. Kartojasi sena problema: reikia kubitų, kurie laikosi nuošaliai, bet sugeba tarpusavyje sąveikauti. Kai kas siūlo būdus, kaip priversti fotonus daugiau bendrauti, pavyzdžiui, pasitelkiant kristalus, stiprinančius sąveiką tarp fotonų. Bet iki šiol apie pažangą šioje srityje girdėti labai nedaug. “Tai yra labai sudėtingas inžinerinis uždavinys. Nors nėra nieko, kas principingai draustų mums visa tai pasiekti, iki šiol tokios technologijos niekam nepavyko sukurti”, – sako Manny Knillas iš Los Alamos nacionalinės laboratorijos Niu Meksiko valstijoje (JAV). Lenktynių dėl kvantinio kompiuterio sukūrimo trasoje rasime daug jau diskvalifikuotų pretendentų. Nepaisant to, pagrindas optimizmui išlieka. “Fizikai mano, kad kvantinį kompiuterį pagaminti galima padaryti leidžiant fizikos dėsniams. Nėra jokios teoremos, tvirtinančios, kad tai nėra įmanoma”, – sako iš Oksfordo universiteto fizikas Arturas Ekertas. Taigi visas problemas, tarp jų ir dekoherentiškumą, vieną dieną pavyks įveikti. Taip sako tie fizikos dėsniai, kurie galioja šiandien. Bet Ekertas tvirtina, kad pačios kvantinio kompiuterio sukūrimo pastangos atskleidžia kai kuriuos anksčiau nežinotus dėsningumus, kurie kiša pagalį į mokslininkų ratus. Fizikai laimi bet kuriuo atveju. Jeigu kam nors pavyks sukurti kvantinį kompiuterį, tas taps didvyriu. Jei kas nors įrodys, kad gamta neleidžia tokį kompiuterį pagaminti, lenktynės patyliukais bus atšauktos, gi fizikai džiaugsis naujai atrastu Visatos supratimu. O kas, jei bus trečiasis variantas, panašus į tą, kuris kamuoja valdomą termobranduolinę reakciją tiriančius mokslininkus? Kas bus, jei lenktynės pasirodys besą tokios alinančios, kad jų finišo juostelės niekam ir nepavyks išvysti?