Kvanttitietokoneet ovat hauraita kuin hiekkalinna myrskyssä – mutta pieni ääni saattaa pelastaa ne

Olen tullut tunnustaneeksi tämän jo monta kertaa: kvanttilaskenta on asia, joka saa pääni pyörälle. Puhutaan koneista, jotka hyödyntävät fysiikan omituisimpia ilmiöitä ongelmien ratkaisemiseen. Sellaisiin ongelmiin, joiden ratkaisemiseen tavallisilta tietokoneilta kuluisi pidempään kuin maailmankaikkeuden ikä.

Mutta täällä on mutka matkassa: kvanttitietokoneet ovat uskkomattoman hauraita. Ne ovat kuin hiekkalinna korkean meren aikana, paitsi että vuorovesi koostuu taustakohinasta ja hiekkalinna kvantti-informaatiosta.

Siksi innostuin, kun luin uudesta Harvardin tutkimuksesta. Siellä tutkijat ovat leikkineet fononeilla – eli pienillä mekaanisen värähtelyn paketeilla, ikään kuin superpienillä ääniaalloilla – ja löytäneet tavan käyttää näitä värähtelyjä kvantti-informaation suojaamiseen. Kuinka siistiä!

Kvanttimuistin ongelma

Näin se menee: kvanttitietokoneet käyttävät kubitteja (kvantiversioita tavallisistabittien) tiedon tallentamiseen ja käsittelyyn. Mutta kubitit ovat kuuluisan nirsoja ympäristönsä suhteen. Mikä tahansa pieni häiriö ympäristöstä – värähtelyt, lämpötilan muutokset, sähkömagneettinen häiriö – voi sekoittaa niiden kvanttitilan. Tätä kykyä ylläpitää tuota herkkää kvanttitilaa kutsutaan "koherenssiksi", ja se on kvanttilaskenta-tutkijoiden ikuinen riesa.

Perinteisesti tutkijat ovat käyttäneet mikroaaltopulsseja kubittien suojelemiseen ympäristön kohinalta. Ajattele sitä niin, että joudut jatkuvasti tökkimään keilapalloa, joka on tasapainossa mäen päällä, ettei se vierisi alas. Se toimii, mutta on monimutkaista ja vaatii tarkkaa ajoitusta.

Harvardin tiimi, jonka johtivat tutkijat Eliza Cornell ja Zhujing Xu, törmäsi ongelmaan: nämä tavanomaiset suojaustekniikat eivät toimi kunnolla, kun kubitit ovat loukussa erityisrakenteissa nimeltä fononiset ontelot – niissä rakenteissa, joita haluaisit käyttää, jos haluaisit käyttää ääniaaltoja kvantti-informaation siirtämiseen sirun eri osien välillä.

Sisään astuu "pukeutunut" kubitti

Tässä kohtaa asiat kiinnostuvat oikeasti. Perinteisten mikroaaltopulssien sijaan tiimi kokeili erilaista lähestymistapaa: he sovelsivat jatkuvasti mekaanista ajokenttää, joka koostui – arvasit oikein – fononeista. Tämä puki kubitin olennaisesti jatkuvaan akustiseen kenttään.

Rakastan tätä termiä. Kuvittele, että kubittisi on menossa juhlatilaisuuteen ja tarvitsee lainaa päällepantavaa. Smokin tai iltapuvun sijaan se sai yllensä pienen ääniaaltotakin. Ja ilmeisesti tämä ääniaaltopuku todella tekee kubitista vastustuskykyisemmän matalataajuista kohinaa vastaan ympäristöstään.

Tekninen termi on "pukeutunut kubitti" (dressed qubit), ja vaikutus on aika merkittävä. Tutkijat havaitsivat, että tämä jatkuva mekaaninen suojaus pidentää kubitin koherenssiaikaa noin kolminkertaisesti. Se on merkittävä parannus, varsinkin kun on kyseessä something yhtä oikukas kuin kvantti-informaatio.

Miksi tällä on väliä

Tässä on se, mikä minut todella innostaa: fononit voisivat palvella kaksinaista tarkoitusta. Ne voivat sekä kuljettaa kvantti-informaatiota kvanttiieverkon eri osien välillä että auttaa suojaamaan sitä korruptoitumiselta. Se on kuin jakelupalvelu, joka toimii samalla panssarivaununa.

Verrattuna valon käyttöön (joka on yleisempi lähestymistapa kvantti-informaation siirtämiseen) fononeilla on joitakin selkeitä etuja. Niillä on paljon lyhyempiä aallonpituuksia, mikä tarkoittaa, että voit rakentaa pienempiä komponentteja ja pakata ne tiiviimmin sirulle. Lisäksi fononit vuorovaikuttavat helposti sekä kiinteän aineen järjestelmien että sähkömagneettisten kenttien kanssa, mikä tekee niistä ihanteellisia hybridikvanttijärjestelmiin, jotka yhdistävät erityyppisiä kubitteja.

Suurempi kuva

Tämä tutkimus viittaa siihen, että mikroskooppiset ääniaallot voisivat tulla tärkeäksi työkaluksi kvanttilaskennan työkalupakkiin. Emme puhu kvanttitietokoneista työpöydälläsi ensi vuonna, mutta teemme todellista edistystä perustavanlaatuisten haasteiden ratkaisemisessa.

Harvardin tiimin työ osoittaa, että jatkuva mekaaninen suojaus voi toimia todellisissa laitteissa, ei vain teoriassa. Se on tärkeä askel eteenpäin. Kuten Eliza Cornell asian ilmaisi, he yrittivät ratkaista kahta ongelmaa samalla kertaa – vahva vuorovaikutus fononien kanssa ja pitkät koherenssiajat – ja he ovat osoittaneet menetelmän, joka saavuttaa molemmat.

Kvanttilaskenta on ollut "viiden vuoden päässä" jo jonkin aikaa, ja epäröin lupaamaan, milloin näemme käytännöllisiä kvanttitietokoneita. Mutta jokainen läpimurto kuten tämä vie meitä lähemmäs sitä päivää, jolloin kvanttilaitteet saattavat auttaa meitä löytämään uusia lääkkeitä, murtamaan salauksia, simuloimaan monimutkaisia molekyylejä ja ratkaisemaan ongelmia, joita emme osaa edes kuvitella vielä.

Toistaiseksi arvostan vain sen eleganttisuutta, että käytetään ääniaaltoja kvantti-informaation suojaamiseen. Siinä on jotain lähes runollista – ajatus siitä, että samat pienet värähtelyt, jotka mahdollistavat äänen etenemisen ilmassa, saattavat joskus tulevaisuudessa auttaa varmistamaan kehittyneimmät tietokoneet, joita koskaan on rakennettu.