Milijon kubitov iz svetlobe

PsiQuantum namerava iz fotonov izdelati velikanski kvantni računalnik, ki bi reševal naloge, nedosegljive današnjim napravam. Po desetletju dela se približuje trenutek, ko bo moralo podjetje izpolniti svoje drzne obljube.

Naprava, ki bi lahko spremenila svet, bo stala v prostoru, podobnem križancu med podatkovnim centrom in tovarno sladoleda. V njem bo približno sto omar iz nerjavnega jekla, visokih okoli 1,8 metra in priključenih na dovod tekočega helija, ki jih bo ohranjal le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. V njih bo več sto čipov, po njih pa bo skozi labirint optičnih stikal in razcepnikov žarkov švigalo na tisoče delcev svetlobe. Upoštevati bo treba vsak foton, saj bo natančna meritev njegovega končnega položaja pomagala odgovoriti na vprašanja, za katera bi današnji računalniki potrebovali morda milijone let.

Opisani računalnik še ne obstaja, je zamisel podjetja PsiQuantum, ki so ga leta 2016 ustanovili štirje fiziki z britanskih univerz. Na natrpanem področju dobro financiranih tekmecev s podobno fantastičnimi vizijami želi podjetje kot prvo izpolniti svojo obljubo.

Odkar jih je fizik Richard Feynman leta 1981 prvič zasnoval, kvantni računalniki obljubljajo, da bodo z izkoriščanjem lastnosti kvantnih delcev pospešili vse – od medicinskih raziskav do umetne inteligence (UI). Navadni računalniški biti imajo vrednost ena ali nič, kvantni pa lahko obstajajo v več stanjih hkrati. Če jih povežemo dovolj, bi dobili računalnik, sposoben nalog daleč zunaj dosega današnjih običajnih naprav. A tudi najsodobnejši kvantni prototipi so premajhni in preveč nezanesljivi, da bi bili uporabni.

Obljube podjetja PsiQuantum o končnih zmogljivostih njegovih računalnikov so zato še drznejše. Podjetje upa, da bo lahko napovedovalo učinke encimov citokroma P450, ki v telesu pogosto razgrajujejo zdravila. Če bi farmacevtska podjetja vedela, kako bodo zdravila delovala na točno določeno molekulo, bi jih lahko hitreje razvila. Philipp Ernst, podpredsednik za kvantne aplikacije pri PsiQuantumu, pravi, da lahko ocenjevanje posameznega zdravila z današnjimi metodami traja več kot deset let, »mi pa ga želimo skrajšati na štiri minute«.

Na področju, polnem takšnih trditev, je PsiQuantum pritegnil nenavadno veliko naložb in pozornosti iz dveh razlogov: je eno redkih podjetij, ki meri neposredno na veliko in uporabno napravo, obenem pa z velikim proizvajalcem čipov svoje sisteme razvija za izdelavo v obstoječih polprevodniških tovarnah. Vizija dobiva zagon. PsiQuantum je lani zbral milijardo dolarjev in v Chicagu začel graditi objekt v sodelovanju z lokalnimi oblastmi. Pripravlja še drugo lokacijo v Avstraliji, ki naj bi bila leta 2027 operativna oziroma pripravljena za namestitev strojne opreme. Poleg Microsofta je edino podjetje, ki je doseglo tretjo fazo intenzivnega vladnega ocenjevanja, katerega namen je ugotoviti, katerim kvantnim podjetjem bi lahko uspelo.

Težje je presoditi, ali bo PsiQuantum izpolnil napovedi. Napredek v kvantnem računalništvu je postopen, nepregleden in ga je od zunaj težko preveriti. Podjetje se zdaj približuje odločilnemu trenutku: leta dela za zaprtimi vrati in stotine milijonov dolarjev naložb bodo prinesli uporaben kvantni računalnik ali pa cilja ne bodo dosegli. Prve odgovore bi lahko dobili že prihodnje leto.

Novi tip naprave

Terry Rudolph, eden od štirih ustanoviteljev podjetja PsiQuantum, govori tiho in ima razmršene lase. Rodil se je v Malaviju in šele po prvi diplomi iz fizike izvedel, da je vnuk slovitega fizika Erwina Schrödingerja. Pozneje je v samozaložbi izdal 150-stransko knjigo, ki najstnikom razlaga kvantno računalništvo.

Predstavnik za stike z javnostjo mi je s pomežikom izročil podpisan izvod, češ da »nikoli ne pričakujejo, da jo bo kdo dejansko prebral«, vendar lahko potrdim, da je zabavna in koristna.

Okoli leta 2014 so bili Rudolph in soustanovitelji vse bolj prepričani, da bi kvantne preboje, ki so se v teoriji zdeli mogoči, lahko uresničili tudi v pravi napravi. Nazadnje so zapustili akademska delovna mesta in si razdelili naloge: Rudolph se je posvetil teoriji, Mark Thompson inženirstvu, Pete Shadbolt povečevanju tehnologije, Jeremy O'Brien pa oblikovanju vizije in iskanju vlagateljev. O'Brien je bil izvršni direktor do februarja, ko ga je zamenjal veteran polprevodniške panoge Victor Peng.

Da bi razumeli pomen računalnika, ki ga razvija podjetje, pomislimo, kako nenatančen ostaja velik del sodobne znanosti. Ne moremo niti zanesljivo napovedati, katera litij-ionska baterija bo zagorela ali kako hitro bo korodiral ključni sestavni del letala.

Razlog ni le zapletenost teh sistemov, čeprav so res zapleteni. V svojem jedru jih ureja kvantna mehanika. Subatomski delci nimajo natančno določenih lastnosti – tega položaja in one hitrosti –, temveč zavzemajo kvantna stanja, razpeta čez številne možnosti. To vpliva na številne atomske in molekularne pojave. Schrödinger, Rudolphov ded, je pred natanko stoletjem pokazal, kako to nedoločenost opisati matematično, toda natančni izračuni za stvarne sisteme hitro postanejo neizvedljivi tudi za najboljše računalnike. Znanstveniki vrzel premoščajo s približki, z nepopolnimi simulacijami ali s poskusi na živalih.

Feynman, David Deutsch in drugi fiziki so se v 80. letih spraševali, ali bi lahko dosegli več. Morda bi takšno zapletenost modelirali z novo vrsto naprave. Namesto tranzistorjev, ki so vedno le vključeni ali izključeni, bi uporabljala delce v kvantnih stanjih, z njimi računala in jih na koncu izmerila, da bi dobila odgovor.

Čipi podjetja bodo nameščeni v velikih omarah. Za komercialno uporaben kvantni računalnik bo po ocenah potrebnih približno 100 med seboj povezanih omar.

Če bi kvantne sisteme uporabili za simulacijo kvantnih sistemov, bi lahko fiziko in kemijo prvič simulirali tako, da bi neposredno izražali resničnost. To bi bilo neprecenljivo pri razvoju novih zdravil, materialov in pravzaprav vsega, na kar vpliva kvantna mehanika. Z eno besedo: revolucionarno.

Veliki preskoki v razumevanju delovanja narave so pogosto prinesli iznajdbo zmogljivih novih orodij, mi je povedal Rudolph. »Ne verjamem, da je naključje, da je industrijska revolucija sovpadla z našo sposobnostjo računanja in simuliranja zakonov Newtonove mehanike, termodinamike in klasičnega elektromagnetizma,« pravi.

Če bi farmacevtska podjetja vedela, kako bodo zdravila delovala na točno določeno molekulo, bi jih lahko hitreje razvila.

»Kadarkoli znamo bolje računati, simulirati in razumeti stvari, iz tega zgradimo neverjetne naprave.« Nekaj podobnega pričakuje od kvantnih računalnikov.

Lov na fotone

Od nekdaj ostaja uganka, katero kvantno stvar – ione, atome ali nekaj povsem novega, umetno ustvarjenega s kvantnimi lastnostmi – je mogoče dovolj stabilizirati in nadzorovati, da bi služila kot kubit, osnovna enota kvantnega računalništva. Kvantni sistemi so občutljivi in že opazovanje posameznega delca povzroči, da se namesto superpozicije več stanj sesede v eno samo. Če se to zgodi med računanjem in ne na koncu, nastane napaka, ki jo je treba popraviti. Če jih je preveč, računalnik ne da uporabnega odgovora.

Tako kot inženirji v pionirskih časih letalstva niso vedeli, ali bodo letalska krila toga ali bodo mahala kot ptičja, še ne vemo, kateri kvantni delci bodo najprimernejši. Google in IBM stavita na superprevodne kubite, torej superprevodna vezja iz aluminija ali drugih kovin. Intel uporablja elektrone, PsiQuantum pa fotone, delce svetlobe.

»Fotoni imajo veliko dobrih lastnosti,« pravi Rudolph. Kvantna stanja lahko ohranijo zelo dolgo, v kozmičnem mikrovalovnem ozadju vesolja jih morda ohranjajo že milijarde let. Hkrati se tudi hitro premikajo in zlahka razpršijo. Še pomembneje je, da fotona veliko verjetneje potujeta drug skozi drugega, kot da bi medsebojno delovala, zato so zahtevna osnova za kvantno računanje, pri katerem morajo kubiti vplivati drug na drugega.

Podjetje je veliko vložilo v lastno proizvodnjo barijevega titanata, materiala z občutljivo kristalno strukturo, katerega izdelava je zahtevna in zamudna.

Nekaj časa se je zdelo, da bo ta pomanjkljivost pokopala zamisel o kvantnem računalniku iz svetlobe, toda raziskovalci Nacionalnega laboratorija Los Alamos in univerze v Queenslandu so leta 2001 našli obvoz. Ugotovili so, da lahko interakcije med fotoni pravzaprav uprizorijo tako, da delce svetlobe pošljejo skozi mrežo razcepnikov žarkov in detektorjev. Njihov članek je spremenil vse. PsiQuantum je nastal, da bi teorijo uresničil.

Prva težava je bila velikost; prejšnji načrti bi zahtevali računalnik, velik kot Kalifornija. Mercedes Gimeno-Segovia, ki je bila v začetku prejšnjega desetletja Rudolphova doktorska študentka, pred tem pa je skoraj postala poklicna violinistka, se je domislila načina, kako napravo zmanjšati.

Osnovni postopek je odtlej takšen: najprej z laserji ustvarijo fotone in jih nato prepletejo, pri čemer izkoristijo kvantni pojav, zaradi katerega delci nimajo več posameznih stanj, temveč delijo skupno stanje. Nato jih usmerijo skozi labirint vrat, ki opravljajo računske operacije, na koncu pa odčitajo podrobnosti njihovega kvantnega stanja. Ves čas spremljajo in popravljajo nastale napake. Milijonkrat uspešno ponoviti vsak korak ni le inženirska ovira, temveč zid. Zahtevna je tudi izgradnja dobavne verige, na primer proizvodnja novih materialov z lastnostmi, ki omogočajo usmerjanje posameznih fotonov.

Da bi vse skupaj bolje razumel, sem se lani pridružil Shadboltu v Nacionalnem pospeševalnem laboratoriju SLAC v kalifornijskem Menlo Parku. Center je pomagal do več Nobelovih nagrad in sodeloval pri odkritju kvarkov leta 1968, temeljnih gradnikov snovi, iz katerih so sestavljeni protoni in nevtroni. PsiQuantum pa se je tam naselil predvsem zato, da bi tekoči helij črpal iz velikanskega kriogenega obrata laboratorija SLAC.

Milijonkrat uspešno ponoviti vsak korak ni le inženirska ovira, temveč zid.

Z njim računalniške omare hladi na temperature globokega vesolja.

Omare trenutno delujejo pri dveh kelvinih oziroma približno –271 stopinjah Celzija, cilj pa je nekoliko višja, skoraj prijetna temperatura –269 stopinj. Pri večini kvantnih pristopov je treba na superprevodne temperature ohladiti celotno napravo, zato velik del stroškov delovanja odpade na hlajenje. Fotonski računalnik pa tako nizko temperaturo potrebuje le za en del: detektorje, ki na koncu računanja merijo posamezne fotone. Tudi zahtevana temperatura je lahko nekoliko višja. PsiQuantum je maja sporočil, da bo del pričakovane 100-milijonske podpore po ameriškem zakonu CHIPS namenil tem detektorjem.

Črpanje helija je bilo začasna rešitev. PsiQuantum ima zdaj lastni hladilni sistem v preizkusnem obratu v kalifornijskem Milpitasu, prihodnje leto pa bo večjega postavil na proizvodni lokaciji v Avstraliji. Helijevi sistemi so med največjimi kapitalskimi izdatki kateregakoli kvantnega podjetja in bodo porabili precejšen del milijarde dolarjev, ki jo je zbral PsiQuantum.

Popoldne sva se odpeljala v laboratorij v San Joseju, kjer sem si nadel obleko za čisto sobo – pokrivalo od glave do nog, ki zadržuje prah –, da bi si ogledal izdelavo modrikastega kristala barijevega titanata.

PsiQuantum ga ceni, ker z zelo majhnim električnim vložkom hitro in zanesljivo usmerja delce svetlobe, ne da bi pri potovanju skozi vezje zmotil dragocene fotone. Toda kristalna zgradba barijevega titanata izdelavo močno otežuje, ob ustanovitvi podjetja pa material ni bil na voljo v velikih količinah. PsiQuantum se je po Rudolphovih besedah mukoma odločil za lastno proizvodnjo, kar je zahtevalo velikansko naložbo. Opazoval sem tehnika, ki je pri napravi, podobni velikanskemu loncu na pritisk, osnovne elemente dodajal v več lijakov. Skozi lino sem nato gledal, kako so se elementi segreli, uparili in nazadnje kristalizirali v tanko plast na rezini. Takrat je izdelava posamezne rezine trajala okoli 12 ur, podjetje pa zdaj pravi, da jih na dan naredi več. Nato jih pošljejo proizvajalcu čipov GlobalFoundries v Malto v ameriški zvezni državi New York, kjer izdelujejo čipe podjetja PsiQuantum.

PsiQuantum stavi, da bo zaradi celotne dobavne verige – naj se sliši še tako zapleteno – učinkovitejši od tekmecev. Če pogledamo od daleč, je namreč podobna izboljšani in izjemno natančni različici obstoječe dobavne verige za silicijeve fotonske čipe, drugi tehnologiji za prenos informacij s svetlobo, ki jo že uporabljajo podatkovni centri. Če bo PsiQuantum čipe izdeloval množično, bo lahko izkoristil obstoječa orodja in infrastrukturo.

Ni pa samoumevno, da je mogoče en delujoč čip preprosto povezati z več tisoč drugimi, zato podjetje preizkuša po fazah. Na lokaciji v Milpitasu je povezalo tri omare, vsako z 250 čipi, naslednji korak pa je povečati sistem in preveriti, ali bodo tehnike popravljanja napak kos večjemu obsegu. Ko bo hladilni sistem konec prihodnjega leta prispel na avstralsko lokacijo, želi podjetje povezati približno sto omar. Nato se bo postopoma lotilo izvajanja obljubljenih algoritmov, ki naj bi spremenili svet.

O časovnici je treba dodati, da je sporna. Mediji so poročali, da želi PsiQuantum leta 2027 na avstralski lokaciji vključiti prvi kvantni računalnik polne velikosti, podjetje pa vztraja, da so rok napačno razumeli in da namerava do konca prihodnjega leta le usposobiti objekt za delovanje. Hladilni sistemi naj bi bili nameščeni in pripravljeni na strojno opremo, brez obljube o velikosti računalnika.

PsiQuantum se je osredotočil na komercialni cilj – računalnik z milijonom kubitov, kar je po pričakovanjih raziskovalcev obseg, ki bi omogočil raziskave, danes nedosegljive običajnim računalnikom.

V panogi, kjer se roki nenehno spreminjajo, obenem pa odločilno vplivajo na ocenjevanje podjetij, ta razlika ni nepomembna.

V neznano

Najboljšo zunanjo oceno možnosti za uspeh podjetja PsiQuantum ima morda Pentagon. Ameriška agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte DARPA, raziskovalno- -razvojna veja Pentagona, vodi pobudo, ki naj bi pokazala, katero od samozavestnih kvantnih podjetij bo dejansko izpolnilo obljube. Vodje programa so v zadnjem letu in pol vse bolj samozavestni. Joe Altepeter, ki ga je vodil do lani in se ponosno opisuje kot 'kvantni skeptik', mi je marca 2025 povedal: »Zdaj sem bolj optimističen, kot sem bil kadarkoli v zadnjih desetih letih.« Njegov naslednik Micah Stoutimore je letos zapisal, da se »zdaj zdi verjetno, da bo nekdo do leta 2033 izdelal kvantni računalnik uporabnega obsega«, torej napravo, katere izračuni ustvarijo več vrednosti, kot staneta njena izdelava in delovanje.

Soustanovitelj in glavni znanstveni direktor podjetja PsiQuantum Pete Shadbolt (levo) ter oprema, ki jo je podjetje izdelalo za lastno proizvodnjo barijevega titanata, materiala z idealnimi lastnostmi za usmerjanje svetlobnih delcev (desno).

Program sisteme podjetja PsiQuantum preučuje od leta 2023, lani pa je podjetje uvrstil v tretjo fazo primerjalnega ocenjevanja, ki naj bi pokazala, ali bo tehnologija dejansko delovala. Za preostanek panoge je PsiQuantum kljub temu nekakšna črna skrinjica.

»Zunanji opazovalec ga zelo težko oceni,« pravi Scott Aaronson, teoretični računalniški znanstvenik s teksaške univerze v Austinu, ki piše priljubljen blog s pogostimi objavami o panogi. Druga podjetja, kot sta Google in Quantinuum, že leta redno objavljajo rezultate ter prikazujejo postopno izboljševanje čipov in sistemov. Tako javno polagajo inženirske temelje, potrebne za prihodnjo gradnjo velikih naprav.

PsiQuantum se je namesto tega osredotočil na komercialni cilj – računalnik z milijonom kubitov, kar je po pričakovanjih raziskovalcev obseg, ki bi omogočil raziskave, danes nedosegljive običajnim računalnikom.

Podjetje se od drugih pogosto razlikuje prav po tem industrijskem cilju, vendar IBM, ki je razvojni načrt predstavil leta 2020, postopoma gradi vse večje sisteme. Sprva je za velik sistem s popravljanjem napak določil leto 2028, rok pa je zdaj očitno premaknjen v leto 2030.

Kako ga uporabiti

Poleg gradnje naprave se PsiQuantum veliko ukvarja s tem, kako bo preostanek sveta pripravil načrt za njeno uporabo. Objavil je partnerstva s strankami, med katerimi so obrambni velikan Lockheed Martin, ki jo želi uporabljati za snovanje materialov, avtomobilski proizvajalec Mercedes, ki z njo želi razvijati baterije, in letalski proizvajalec Airbus.

Ernst iz podjetja PsiQuantum pravi, da to ni težava, čeprav ta podjetja še nimajo računalnika za preizkuse. »Sony bo prihodnje leto ali leto pozneje verjetno predstavil PlayStation 6, igre zanj pa ljudje programirajo že zdaj,« pravi. »Načelno je to zelo podobno.« Primerjava je lahkotna, vendar ni povsem prazna: kvantne algoritme za reševanje raziskovalnih problemov je mogoče razviti, tudi če strojna oprema za njihovo izvajanje še ne obstaja.

Precejšen del financiranja podjetja PsiQuantum je namenjen po meri izdelani hladilni opremi, ki za hlajenje čipov uporablja rezervoarje s tekočim helijem. Na fotografiji je del hladilnega sistema podjetja PsiQuantum v obratu v Milpitasu v Kaliforniji.

Strokovnjaki za kvantne informacije iz podjetja PsiQuantum in njegovih strank naj bi oblikovalske probleme – denimo zahteve za baterijo v Mercedesovem električnem vozilu – prevedli v algoritme, ki bi jih računalnik lahko rešil.

»Dokler prave naprave nimate v rokah, ne morete zares raziskati njenega potenciala.«

Podjetje ponuja programski paket Construct, s katerim lahko družbe snujejo lastne algoritme, ki bodo morda nekoč tekli na računalniku.

Prihodnost kvantnega računalništva je odvisna od teh algoritmov. Kvantne računalnike pogosto predstavljajo kot pospešek za vse, v resnici pa so primerni le za posamezno skupino problemov. Vprašanje je treba za takšno napravo oblikovati z zelo posebnimi vrstami algoritmov. Ljudje jim posvetijo celotne kariere, čeprav računalnikov za njihovo izvajanje še ni. V jedru uporabljajo pravila kvantne mehanike, da z verjetnostmi ravnajo tako, kot običajni računalniki ne morejo.

Najslavnejši primer in eden od razlogov za veliko zanimanje držav je Shorov algoritem. Leta 1994 ga je razvil teoretični računalniški znanstvenik Peter Shor, z njim pa bi lahko učinkovito razbili številne oblike šifriranja, ki se na spletu uporabljajo za vse, od številk kreditnih kartic do vojaških obveščevalnih podatkov. Svet za zdaj drži skupaj dejstvo, da nihče nima računalnika, na katerem bi algoritem lahko pognal. Varnostni strokovnjaki že uvajajo nove metode šifriranja, odporne proti napadom kvantnih računalnikov. PsiQuantum raziskuje, koliko časa bi njegovi sistemi potrebovali za izvajanje Shorovega algoritma. Podjetje je decembra v sodelovanju z Airbusom objavilo tudi znanstveni članek. Preverjalo je, ali bi novi algoritem avtorjev pri modeliranju dinamike tekočin, na primer turbulence okoli letalskega krila, lahko premagal klasični računalnik. Strokovnjak za kvantne simulacije Andrew Childs mi je povedal, da je PsiQuantum dosegel le zmerno pohitritev v primerjavi z današnjimi računalniki. »Najverjetneje takšne pohitritve ne bodo imele pomembnega praktičnega učinka, dokler ne dobimo zelo velikih kvantnih računalnikov,« je zapisal po elektronski pošti. Ernst se je strinjal, da je izboljšanje skromno.

Nekateri algoritmi, s katerimi se ukvarja PsiQuantum, morda ne bodo izpopolnjeni ali uporabljeni v prvih aplikacijah njegovega računalnika. Začetne naloge bi bile lahko bolj podobne tistim, ki jih je Feynman napovedal že leta 1981: simuliranju najmanjših delcev našega sveta. Najpomembnejše raziskave podjetja na tem področju se ukvarjajo z modeliranjem kvantne kemije. Vzemimo nadležne encime P450. PsiQuantum pravi, da bi natančnejše razumevanje njihovega delovanja omogočilo hitrejši razvoj in preizkušanje zdravil.

PsiQuantum je lani objavil metode za takšne kemijske izračune na kvantnem računalniku in še en članek z algoritmom, ki lahko simulira trk dveh molekul ter iz femtosekunde v femtosekundo oceni verjetnost različnih izidov. V eni sekundi je bilijarda femtosekund. Gre za osupljivo raven podrobnosti, ki z današnjo tehnologijo ni mogoča in bi raziskovalcem zdravil ter materialov omogočila simuliranje novih kemijskih interakcij.

Dominic Berry, ki je razvil nekatere temeljne tehnike iz članka o trkih, vendar ne sodeluje s podjetjem PsiQuantum, pravi, da je podjetje doseglo občudovanja vredne izboljšave. Za simulacije, ki znanstvenike najbolj zanimajo, bi moral algoritem postati še hitrejši, prvi računalnik podjetja PsiQuantum pa bi moral imeti manj napak, kot jih trenutno pričakujejo.

Dokler računalniki podjetja PsiQuantum ne bodo delovali, preboji, ki jih nakazujejo raziskovalni članki, ostajajo del teorije. Rudolph se na tem področju počuti povsem domače. Povedal mi je, da je Alan Turing teorijo klasičnega računalništva ustvaril s svinčnikom in papirjem: predstavljal si je, kako bodo v stroju predstavljene enice in ničle ter kako je s pravilnim logičnim pristopom mogoče izračunati skoraj vse.

»Toda Turing s svinčnikom in papirjem nikakor ne bi mogel ustvariti, saj veste, Minecrafta in Facebooka,« pravi. Za to je bilo potrebnih več kot 70 let eksperimentiranja, med katerim smo na srečo ustvarili tudi koristnejše stvari od Minecrafta in Facebooka.

Čeprav Rudolph veliko časa namenja zamišljanju stvari, ki bi jih lahko počeli kvantni računalniki, so ljudje, ki se ukvarjajo s temi problemi, za zdaj še vedno omejeni na svinčnik in papir. »Dokler prave naprave nimate v rokah, ne morete zares raziskati njenega potenciala.«