Najhladnejši superračunalnik na svetu

Od kvantnih računalnikov pričakujemo veliko, a kljub nekaterim komercialnim prototipom je njihov razvoj šele na začetku. Kvantno računanje je koncept, ki ga je v praksi mogoče udejanjiti na več načinov. Eden izmed novih so ultrahladni atomi, ki zavzemajo eksotično peto agregatno stanje: Bose-Einsteinov kondenzat.

Komercialna naprava za pripravo Bose-Einsteinovega kondenzata, ki jo izdeluje ColdQuanta.

Kvantno računalništvo je široka nadpomenka, abstrakcija za koncept manipuliranja z delci na način, ki izrablja njihove kvantne lastnosti. Da je v praksi to mogoče izvesti na več različnih načinov, se je javnost zavedela ob kontroverznem kvantnem računalniku D-Wave. Ker deluje na bistveno drugačen način od »običajnih« kvantnih poskusov IBM ali Microsofta, je bil pred šestimi leti celo tarča ostrih komentarjev, da v njem ni nič zares kvantnega. D-Wavov računalnik ni univerzalni kvantni računalnik, kar je nekakšen kvantni ekvivalent Turingovemu stroju pri klasičnih računalnikih, temveč je namenjen reševanju specifičnih optimizacijskih problemov.

Bose-Einsteinov kondenzat

Tri agregatna stanja snovi (trdnina, tekočina in plin) so zadovoljiva poenostavitev za vsakdanji svet, v ekstremnih pogojih pa najdemo še dodatna. Poleg plazme, ki nam je najbliže v neonskih svetilkah, kjer se zaradi električnega toka elektroni ločijo od posameznih atomov, obstaja še peto agregatno stanje - Bose-Einsteinov kondenzat. V 20. letih prejšnjega stoletja sta ga napovedala Satyendra Nath Bose in Albert Einstein.

Dosežemo ga, ko zelo razredčen plin (nekaj milijonink gostote zraka pri sobnih pogojih) ohladimo na ekstremno nizke temperature. Tedaj se vsi bozoni (osnovni delci s celoštevilskim spinom, kamor se uvrščajo tudi nekatera atomska jedra) sesedejo v isto, najnižje kvantno stanje, zato so tedaj kvantni efekti vidni v makroskopskem merilu. Prvikrat so ga eksperimentalno pripravili šele leta 1995, ko so na 170 nanokelvinov (kar je res že zelo blizu absolutne ničle) ohladili rubidijeve atome, in potrdili več kot 70 let stare napovedi.

Bose-Einsteinov kondenzat ima številne nenavadne lastnosti. Atomi se obnašajo bolj kot valovanje in ne kot delci. Če poskusimo združiti dva takšna kondenzata, se atomi ne bodo preprosto pomešali, temveč bomo videli interferenčni vzorec. Obnašanje teh delcev opisuje Bose-Einsteinova statistika, ki razlaga tudi nekatere vrste superprevodnosti, superfluidnosti in druge kvantne pojave v makroskopskem svetu.

Slavni posnetek ob odkritju Bose-Einsteinovega kondenzeta leta 1995 prikazuje porazdelitev hitrosti atomov tik pred tvorbo kondenzata (levo) in potem (desno). Slika: NIST/JILA/CU-Boulder

Še tretji način kvantnega računalništva pa preverjajo v ColdQuanti, ki je leta 2007 nastala kot odcepljeno podjetje Univerze v Coloradu in inštituta JILA v koloradskem Boulderju. JILA je skupni inštitut omenjene univerze in NIST (Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo). Na elitnem razpisu ameriške obrambe agencije DARPA so letos v okviru programa ONISQ (Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices) prejeli 7,4 milijona dolarjev za raziskave uporabe ultrahladnih atomov v kvantnem superračunalništvu.

Hladni atomi niso redkost, saj jih na tak ali drugačen način uporabljajo številni pristopi in tudi druge, s kvantnimi pojavi povezane naprave, ki niso kvantni računalniki. Atomske ure so značilen primer stroja, ki potrebuje močno ohlajene atome (v resnici atomska ura ni nič drugega kot veliko logičnih vrat iz enega kubita). Tudi »običajni« kvantni računalniki potrebujejo ohlajene atome, da se zmanjša interferenca z okolico. Za zmedo je delno kriva nejasna definicija, kaj pomeni hladni. ColdQuanta atome hladi na mikrokelvine, superračunalniki IBM pa na milikelvine. Tisočkratna razlika se kaže zlasti v hitrosti gibanja oziroma energiji teh atomov ali ionov, saj pri tako nizkih temperaturah klasična predstava o temperaturi in toploti ni več zelo uporabna.

Izkušeni mački

V ColdQuanti niso novinci. Po 13 letih delovanja podjetja ne moremo več uvrstiti med nova. Že ob ustanovitvi so bili na čelu ljudje z izkušnjami. Dana Anderson je profesor fizike z Univerze v Koloradu. Rainer Kurz, ki je bil do leta 2015 izvršni direktor, je pred tem delal v Broadcomu, ko je ta kupil AltoCom. Theodor Hänsch je direktor Inštituta Max Planck za kvantno optiko v Garchingu in profesor fizike na münchenski Univerzi Ludwiga Maximiliana. Jakob Reiche je delal s Hänschem, od leta 2004 pa je profesor v Laboratoriju Kastler Brossel v Parizu.

Četverica je bila prepričana, da je kvantna prihodnost v ultrahladnih atomih, ki se zlijejo v Bose-Einsteinov kondenzat. To je nenavadno, peto agregatno stanje snovi, ki se pojavi le pri zelo nizkih temperaturah, pa še to ne z vsemi atomi. Rubidijevi atomi, s katerimi delajo, imajo primeren spin, in v resnici je bil prav rubidij prvi element, s katerim je bil leta 1995 prvikrat ustvarjen Bose-Einsteinov kondenzat.

ColdQuanta je do komercialne uporabnosti razvila že precej izdelkov, večinoma povezanih s hlajenjem atomov. Ponujajo celotne sisteme za hlajenje snovi, torej vakuumske posode, optiko za lasersko hlajenje in krmilne enote. Razvili so tudi ionske pasti, steklene vakuumske celice in vrsto podporne opreme, denimo različne kvadrupolne tuljave. Vse to so izdelki, ki so namenjeni drugim podjetjem ali laboratorijem, ki želijo delati z ultrahladnimi atomi, da jih vgradijo v lastne sisteme.

Danes ColdQuanto vodi Bo Ewald, ki je bil do lani predsednik že omenjenega D-Wava. Pojasnil je, da je v projektu DARPA več partnerjev, med njimi Univerza Wisconsin-Madison, Raytheon Technologies, Argonne National Laboratory, Univerza Chicago, NIST Gaithersburg, Univerza Colorado Boulder, Univerza Innsbruck in Univerza Tufts. V ColdQuanti so zadolženi za razvoj strojne opreme in nadzornih sistemov, medtem ko bodo partnerji izdelali nekatere potrebne komponente, poskrbeli za programsko opremo in izvedli primerjave (benchmarking) z običajnimi superračunalniki. Projekt bo trajal 40 mesecev, končni cilj pa je na kvantnem superračunalniku rešiti realen optimizacijski problem za obrambno ministrstvo. Konkretno gre za konfiguracijo in postavitev radarjev, da bodo najučinkoviteje pokrivali dano območje.

Kako deluje

Medtem ko imajo današnji kvantni računalniki nekaj deset kubitov, mora oziroma želi ColdQuanta izdelati takšnega, ki jih bo imel nekaj tisoč. Vsak dodaten kubit podvoji število kombinacij, ki jih lahko sistem obravnava, torej se zmogljivost povečuje eksponentno. Ocenjujejo, da bi potrebovali okrog 50 kubitov, da bi dobili kvantni računalnik, na katerem bi lahko rešili kakšen problem, ki ga konvencionalni računalnik ne more. Lani decembra je Google oznanil, da mu je z računalnikom z 72 kubiti uspelo doseči to kvantno premoč – rešiti prvi problem, ki brez kvantnih računalnikov ni rešljiv v razumnem času.

Optimizacijski problemi, ki imajo milijone mogočih rešitev, a le eno najučinkovitejšo, so pisani na kožo kvantnim računalnikom. Za igranje iger ali brskanje po spletu kvantni računalniki ne bi prinesli nobene pohitritve, pri takšnih nišnih problemih pač.

ColdQuanta bo hladne rubidijeve atome, ki jih hladijo in na mestu držijo laserji, zaprla v nekaj centimetrov veliko škatlico. Ker so atomi tako ohlajeni, lahko z njimi manipulirajo in jih premikajo. V ustrezni dvo- ali tridimenzionalni razporeditvi pride do izraza kvantna prepletenost (entanglement), kjer se atomi začno obnašati kot povezan kvantni sistem. Nahajajo se v superpoziciji vseh mogočih stanj (za vsak kubit 0 ali 1), ko pa se izračun konča, se superpozicija sesede v optimalno rešitev. Tak računalnik torej hkrati preračuna vse možnosti in vrne najboljšo.

Pri »običajnih« kvantnih računalnikih so kubiti realizirani na silicijevih rezinah, na primer kot superprevodne povezave (od tod potreba po hlajenju, a ne tako ekstremnem) ali kot kvantne točke (quantum dots). ColdQuanta pa uporablja nevtralne atome. Ko so ohlajeni, jih razporedijo v natančno določen pravilen vzorec. To je mogoče doseči na več načinov, pri čemer je eden izmed obetavnejših ohlajevanje v Bose-Einsteinov kondenzat, potem pa počasna vključitev optične rešetke. Vsak atom pade v svoje predalček; v tiste, ki ostanejo prazni, ročno (npr. z optično pinceto) premaknejo atome.

Dvodimenzionalna rešetka 100 optičnih pasti, v katere so ujeti atomi. Slika: Y. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 115, 043003, 2015

Nato pa nekatere atome z laserjem vzbudijo v tako imenovano Rydbergovo stanje. O tem govorimo, kadar je eden izmed elektronov vzbujen v energetsko bistveno višje stanje od osnovnega, zaradi česar se tak atom obnaša precej drugače. Deluje, kakor da bi bil večji (tudi nekaj milijardokrat!) in kot da bi bil nabit ion, saj elektromagnetno močno interagira s sosedi. Hkrati preprečuje, da bi se tudi sosednji atomi vzbudili v Rydbergovo stanje. To pa po drugi strani omogoča, da so atomi kvantno prepleteni, kar pomeni, da obstajajo v superpoziciji. Ni en atom v Rydbergovem stanju, sosed pa v osnovnem, temveč sta oba v kombinaciji Rydbergovega in osnovnega stanja. Meritev, ki sledi po koncu izračuna (torej izvajanja kvantnega algoritma), povzroči, da se valovna funkcija sesede in potem so v Rydbergovem stanju spet samo nekateri atomi. To je, poenostavljeno rečeno, rezultat izračuna.

Lasersko hlajenje

Ekstremno nizke temperature (mikrokelvini ali še nižje) so nižje od česarkoli v vesolju. Temperatura mikrovalovnega sevanja ozadja v vesolju je denimo 2,7 K, kar je nekaj tisočkrat več. Najnižje temperature danes dosegamo z laserskim hlajenjem, kjer na atome posvetimo z laserjem, kar se na prvi pogled sliši protislovno. Najpogosteje uporabljamo Dopplerjevo metodo, ki izkorišča istoimenski efekt. Če se vir valovanja in sprejemnik približujeta, sprejemnik zazna višjo frekvenco od dejanske in obratno. Ko na atome svetimo z laserjem, katerega monokromatsko svetlobo si lahko predstavljamo kot vrsto fotonov enake energije, bodo atomi interagirali le, če bo frekvenca te svetlobe (oziroma energije fotonov) natanko ustrezala energiji elektronskega prehoda. Z drugimi besedami: za večino frekvenc svetlobe so atomi prosojni, le s točno določenimi reagirajo. Tedaj atom absorbira foton, nato pa ga kmalu odda – v naključni smeri.

To je ključno. Če na atome svetimo s frekvenco, ki je nižja od frekvence elektronskih prehodov, bodo s fotoni interagirali le tisti atomi, ki se ustrezno hitro gibljejo proti laserju, torej proti curku fotonov (uporabimo dva, enega na nasprotni strani). Ker atom absorbira foton, ki leti v nasprotno smer, se nekoliko upočasni (ohranitev gibalne količine). Izseva pa ga v naključni smeri, zato v povprečju z izsevom ne izgublja kinetične energije. Začnemo z zelo nizko frekvenco daleč od lastne, ki bo polovila zelo hitre atome, potem pa jo počasi dvigujemo proti lastni frekvenci, ko se atomi bolj in bolj hladijo. Da metoda deluje, je treba preprečiti medsebojne interakcije atomov; plin mora biti dovolj redek.

Shema laserskega hlajenja s šestimi laserji. Slika: Hugh Rice et al., Application of atom interferometric technology for GPS independent navigation and time solutions, 2018

Uporaba nevtralnih atomov za kubite ima nekatere prednosti. Ker atomi šibko interagirajo s sosedi, je tak sistem bolj imun na interferenco iz okolice od ostalih pristopov. Ker so si atomi po definiciji identični, je mogoče sistem enostavneje povečevati, saj ni treba paziti na enakost kubitov. Hkrati so atomi tudi najmanjši fizikalno smiselni elementi, zato jih lahko na manjši prostor stlačimo več kakor pri drugih realizacijah kubitov. Prinaša pa tak pristop tudi nekaj pomanjkljivosti, med katerimi je na prvem mestu potreba po ekstremnem hlajenju. Druga težava so atomi sami, saj jih je precej težko obdržati v točno določeni razporeditvi.

Trenutno smo pri razvoju kvantnih računalnikov tam, kjer smo bili pred 70 leti s konvencionalnim računalništvom. Takrat ni bilo očitno, da je silicij najprimernejši material za izdelavo čipov. Danes tako ni jasno, kakšno bi bilo najelegantnejše udejanjenje kubitov. Do končnega cilja bomo verjetno ugledali še precej zanimivih poskusov in stranpoti, ki pa jih bomo prepoznali le v retrospektivi.