Właśnie dlatego eksperyment naukowców z Aalto University jest ciekawszy, niż sugerowałaby jego skala. Finowie nie zbudowali bowiem byle większego procesora ani nie dorzucili setek kubitów do kolejnej maszyny. Zamiast tego połączyli ciepło, pracę i kubit w jednym nadprzewodzącym obwodzie, tworząc tym samym pierwszy cykliczny kwantowy silnik cieplny.
Miliony kubitów oznaczają miliony problemów
Finlandia chce do 2035 roku zbudować komputer dysponujący tysiącem logicznych kubitów. Taka liczba brzmi jeszcze stosunkowo niepozornie, a przynajmniej dopóki, dopóki nie weźmiemy pod uwagę korekcji błędów. Jeden logiczny kubit może bowiem wymagać wielu fizycznych kubitów, więc cała maszyna musiałaby zawierać ich setki tysięcy, a być może nawet około miliona. Każdy trzeba jednocześnie kontrolować, odczytywać i połączyć z aparaturą znajdującą się poza ekstremalnie zimnym wnętrzem kriostatu.
Czytaj też: Światło zachowało się zupełnie inaczej, niż oczekiwali fizycy. To jak kwantowy hamulec
Obecne rozwiązania mogą w takiej skali wymagać milionów kabli mikrofalowych. Według Aalto University jeden kosztuje dziś około tysiąca euro, czyli po przeliczeniu około 4300 zł. Sama cena szybko zmieniłaby się tym samym w absurdalną kwotę, ale jeszcze większym problemem byłby sam szum wprowadzany przez rozbudowaną infrastrukturę. Tego typu podobne ograniczenia wracają przy praktycznie każdej próbie skalowania komputerów kwantowych. Sama gonitwa za liczbą kubitów niewiele bowiem daje, jeśli nie potrafimy ich stabilnie kontrolować, chłodzić i wykorzystywać do rzeczywistych obliczeń.
Silnik z samochodu trafił do świata kwantowego
Fiński zespół kierowany przez profesora Mikko Möttönena wykorzystał transmon, czyli popularny typ kubitu nadprzewodzącego, rezonator oraz lodówkę obwodu kwantowego. Całość została umieszczona w kriostacie pracującym blisko zera absolutnego, ale tym najbardziej niezwykłym fragmentem historii jest jednak sam cykl pracy. Naukowcy odtworzyli bowiem w układzie kwantowym cykl Otto, a więc proces termodynamiczny znany z klasycznych silników spalinowych. Nie znajdziemy tam oczywiście tłoka, cylindrów ani spalania paliwa. Ich odpowiednikiem są kontrolowane zmiany stanu kubitu, jego ogrzewanie i chłodzenie oraz przepływ energii, który można zamienić na mierzalną pracę.
Wspomniana lodówka w tym projekcie pełniła więc podwójną funkcję. Ten sam element mógł zarówno ogrzewać, jak i chłodzić kubit, a to wszystko zależnie od sposobu sterowania. Uważam, że właśnie ten fragment eksperymentu jest ważniejszy od samego efektownego hasła o “pierwszym silniku kwantowym”, bo każdy usunięty element w całym projekcie oznacza równocześnie mniej połączeń, mniej zakłóceń i prostszą konstrukcję przyszłego komputera.
Mniej kabli, więcej autonomii
Docelowym pomysłem fińskiego zespołu są autonomiczne urządzenia działające bezpośrednio w układzie kwantowym. Mogłyby one wykonywać część pracy bez ciągłego przesyłania sygnałów mikrofalowych między obszarem bliskim zeru absolutnemu a aparaturą działającą w temperaturze pokojowej. Jednym z potencjalnych zastosowań jest odczytywanie stanów kubitów. Zamiast prowadzić kolejne przewody na zewnątrz, część operacji można byłoby wykonywać lokalnie, bo tuż obok samego procesora.
Patrzę na to jak na kwantową wersję integracji, którą od dekad obserwujemy w klasycznych komputerach. Kontrolery pamięci, układy graficzne czy moduły zarządzania energią były stopniowo przenoszone bliżej procesora, bo było to tańsze, szybsze i bardziej efektywne. Komputery kwantowe mogą przejść podobną drogę, choć fizyczne warunki ich działania są znacznie bardziej wymagające. Warto jednak uważać na zbyt daleko idące wnioski.
Eksperyment opisany w Nature Communications jest demonstracją naukową, a nie gotowym elementem przyszłego komputera kwantowego. Aktualnie silnik osiąga niewielką moc i sprawność, a do praktycznych wdrożeń prowadzi jeszcze długa droga. Nie zasili też całej maszyny ani nie rozwiąże nagle problemu chłodzenia. Samo słowo “silnik” może zresztą sugerować miniaturową elektrownię, podczas gdy w rzeczywistości chodzi przede wszystkim o kontrolowane przekształcanie energii i wykonywanie określonych operacji wewnątrz nadprzewodzącego obwodu.
Czytaj też: Elektrony uciekły na krawędź materiału. Kwantowa elektronika dostała nową ścieżkę
Mimo tych wszystkich zastrzeżeń osiągnięcie jest istotne. Pokazuje bowiem, że klasyczna termodynamika może zostać odtworzona w skali kwantowej w działającym, cyklicznym urządzeniu. Jeszcze niedawno brzmiałoby to jak pomysł wyciągnięty z fantastyki naukowej.
Źródła: Aalto University, Nature
