Ko gredo delci kar skozi "zid" in kaj ima s tem kvantni računalnik

Letošnjo Nobelovo nagrado za fiziko so si razdelili trije raziskovalci: John Clarke, Michel Devoret in John Martinis.

Eno najbolj prestižnih nagrad, ki jih znanstveniki lahko prejmejo, so prejeli za svoja odkritja, ki so omogočila nastanek kvantnih računalnikov.

Kvantni računalniki predstavljajo enega od trenutnih vrhuncev človeške izumiteljske in tehnološke sposobnosti.

Temeljijo na znanju o tem, kaj so in kako se vedejo najmanjši delci snovi – kvanti.

Uporabno kvantno "čudaštvo", ki so ga raziskovali Nobelovci

Svet kvantov je običajnemu človeku skoraj povsem nepredstavljiv, v veliki večini pa tudi težko razumljiv in "čudaški", saj se kvanti vedejo tako kot v svetu velikih stvari, ki ga zaznavamo, ne bi pričakovali.

Na primer: predstavljajte si, da z avtom z najvišjo možno hitrostjo drvite po avtocesti, pred vami pa se naenkrat pojavi zid. Kaj boste storili? Najverjetneje boste stopili s plina, začeli zavirati in molili, da se avto še pravočasno ustavi.

Če pa bi vi in avto bili kvantni delec, vam tega ne bi bilo treba storiti. Mirno bi lahko še naprej stiskali plin in si požvižgavali kakšno prijetno pesmico. In potem bi se v nekem trenutku znašli na drugi strani zidu, nepoškodovani – pa tudi zid bi ostal nedotaknjen. Preprosto bi skozenj "tunelirali".

Z izrazom "tuneliranje" namreč v kvantni fiziki imenujejo pojav, ko delec brez posledic preide skozi oviro.

Prav ta pojav so raziskovali letošnji Nobelovi nagrajenci in ugotovili, da do takšnega, kvantnega "obnašanja" lahko pride tudi v sistemih, ki so veliko večji, kot je svet kvantnih delcev – na primer v električnih vezjih (čipih), ki so dovolj veliki, da jih vidimo in uporabimo.

To pa premošča pregrado med mikroskopskim svetom kvantne fizike in makroskopskim svetom elektronike, ki jo uporabljamo vsak dan. In to je odprlo vrata v povsem novo tehnologijo, izdelavo kvantnih računalnikov.

Malce težji, a nič manj zanimiv del: slovenski fizik o raziskavah Nobelovcev

O letošnji Nobelovi nagradi za fiziko smo se pogovarjali s profesorjem dr. Tomažem Prosenom, matematičnim fizikom, predavateljem na Fakulteti za matematiko in fiziko, strokovnjakom s področja kvantnih računalnikov.

"Letošnji Nobelovi nagrajenci so v letih 1984-1985 izvedli poskuse, s katerimi so dokazali kvantno naravo superprevodnih električnih tokov v vezjih, ki vsebujejo tako imenovane Josephsonove spoje - tanke plasti izolatorja med dvema superprevodnikoma," delo nagrajencev pojasnjuje dr. Prosen.

"V klasičnem svetu električni tok, da lahko teče, potrebuje padec električne napetosti, ob izolatorju pa se vedno ustavi. V kvantnem svetu, pri nizkih temperaturah, pa se elektroni povežejo v tako imenovane Cooperjeve pare, ki skupaj sestavljajo eno samo povezano kvantno stanje," še razloži.

Kot pravi, je pri tem najbolj fascinantno, da je v takšnem stanju lahko zelo veliko število elektronov, ki pa so med seboj povsem nerazločljivi, in njihovo stanje lahko opišemo z valovno funkcijo, kot da bi šlo za en sam delec.

Cooperjevi pari predstavljajo električni tok, ki teče brez upora, zato ne potrebuje zunanje napetosti. Ko pa naleti na oviro – v primeru elektrike je to izolator - pa obstaja povsem končna verjetnost, da ga bodo preskočili oziroma "tunelirali" na drugo stran.

Nagrajenci so pokazali tudi, da se lahko energija preko tuneliranja izmenjuje samo v diskretnih paketih – kvantih, kar je še ena od osnovnih lastnosti kvantnega sveta.

Poskusi so pomembni, ker so vodili do razvoja kvantnih bitov in trenutno ene najbolj obetavnih tehnoloških platform - kvantnega računalnika.

"S sestavljanjem že prej omenjenih Josephsonovih spojev namreč lahko povežejo kvantna stanja mnogih električnih tokov na način, ki lahko simulira poljuben drug kvantni sistem - na primer kompleksno molekulo zdravilne učinkovine, katere funkcijo bi radi raziskali, ali kvantni model črne luknje ali celo tako imenovane črvine," pojasnjuje dr. Prosen.

Kje so danes kvantni računalniki? Jih bomo kdaj imeli doma?

Poskusi, ki so jih izvedli letošnji Nobelovci za fiziko, so bili narejeni v 80-ih letih preteklega stoletja. Kako to, da so nagrado dobili šele sedaj, skoraj pol stoletja kasneje?

"Verjetno je Nobelova nagrada prišla šele zdaj, ker so šele pred nekaj leti kvantni računalniki "prebili mejo" dejanske uporabnosti, oziroma so se ji začeli nevarno približevati," je odgovoril dr. Prosen.

Čeprav uporabni kvantni računalniki danes obstajajo, je njihov razvoj še zelo na začetku.

Kljub temu, da vsaj v teoriji lahko računske operacije izvedejo veliko hitreje kot klasični, še vedno nimamo zares prepričljive demonstracije, da so kvantni računalniki kakšen posel izvedli hitreje ali bolje od najboljšega klasičnega računalnika, pravi dr. Prosen.

Vendar pa razvoj še vedno teče in danes so kvantni računalniki neprimerno dlje, kot so bili pred petimi ali celo desetimi leti. "Razvoj je v zadnjih letih izjemno hiter," je povedal dr. Prosen.

Samo še vprašanje časa (in denarja) je, kdaj jih bomo lahko izdelovali na podoben način, kot danes izdelujemo klasične računalnike, meni.

Verjetno pa jih ne bomo tako kmalu imeli doma, kot imamo danes osebne računalnike ali tablice - morda celo nikoli.

"Glavni problem je, da zaenkrat nimamo veliko algoritmov za kvantno računanje, ki bi bili boljši, hitrejši od klasičnih, imamo samo posamezne prilagojene algoritme, ki pa so superiorni," pravi dr. Prosen.

Primeri takšnih superiornih algoritmov so algoritem za razbijanje kriptografskih šifer ali za iskanje po neurejenem seznamu, ali pa algoritmi za splošen princip za simulacijo drugih kvantnih sistemov.

Danes kvantne računalnike uporabljajo predvsem za simulacijo drugih kvantnih sistemov.

"Fiziki jih že s pridom uporabljamo za raziskovanje kompleksnih pojavov v modelih kvantnih materialov, ki jih lahko simuliramo. Kmalu bodo verjetno sledile uporabne aplikacije v kvantni kemiji," pove dr. Prosen.

Kvantni računalniki in umetna inteligenca – kvantna umetna inteligenca?

Kvantni računalniki so (vsaj v teoriji) veliko bolj zmogljivi kot klasični. Kaj se bo zgodilo, če jih bomo povezali s še enim vrhuncem človeškega znanja - umetno inteligenco? Ali lahko v prihodnosti pričakujemo nekakšno "kvantno inteligenco"?

"Pri Googlu so preroško poimenovali svoj laboratorij za kvantno računalništvo "Google Quantum AI"," pravi Prosen.

"Verjetno so imeli nekaj takšnega v mislih, čeprav so njihove trenutne aplikacije kvantne tehnologije povsem nepovezane z umetno inteligenco," dodaja.

Kot pravi, se veliko govori tudi o metodah kvantnega strojnega učenja.

"Če bi te metode lahko implementirali na kvantnih računalnikih, kar bo verjetno enkrat možno, bomo morda lahko govorili o kvantni umetni inteligenci."