Šum kvantnog računala: napokon znamo tko je kriv

Znanstvenici su identificirali porijeklo buke u spin qubit kvantnim procesorima, što je otprilike kao da otkriješ da je tvoj auto bučan jer su mu gume kvadratne — korisno, ali pitanje koje si postavljaš je tko je, jebote, dopustio da auto uopće izađe iz tvornice s kvadratnim gumama. Spin qubitovi, ti mali genijalci koji pohranjuju kvantnu informaciju u vrtnji elektrona, dugo su bili obećanje koje industrija kvantnog računalstva drži u ustima kao marcipan u prosincu — slatko, dekorativno, ali uglavnom nejestivo dok netko ne skuži kako da ga pretvori u nešto korisno. I sada, nakon godina istraživanja, tisuća radova i milijardi dolara ulaganja, ekipa iz laboratorija napokon može reći: "Evo, otkrili smo odakle dolazi šum." Bravo. Super. Sad nam još treba rješenje, a to je, ako povijest kvantnog računalstva išta uči, udaljeno otprilike koliko i pametan političar u Hrvatskom saboru.

Spin qubitovi su, za one koji nisu proveli zadnje desetljeće u špilji s prekinutom vezom, jedna od najperspektivnijih platformi za kvantno računanje. Imaju dugu koherenciju — to jest, mogu zadržati kvantno stanje dovoljno dugo da napraviš nešto korisno prije nego što se raspadnu u klasični nered — i kompatibilni su s postojećom poluvodičkom proizvodnjom. To je važno, jer kvantno računanje u kojem svaki qubit zahtijeva ručno izrađenu laboratorijsku opremu nije kvantno računanje, to je skup hobi za bogate fakultete. Ideja je da se qubitovi smjeste u kvantne točke, te sićušne poluvodičke strukture koje se ponašaju kao kontrolabilni umjetni atomi, i da se onda manipulira njihovim spinom pomoću mikrovalnih pulseva. Zvuči jednostavno? Nije. Jer uvijek, ali uvijek, postoji šum.

I sada, nakon što su istraživači proveli godine slušajući taj šum kao tinejdžer koji analizira omiljeni album — "Čuj, u trećoj sekundi, iza basa, ima ti jedan mali šum, to je onaj ključni dio!" — napokon su locirali izvor. I to je, naravno, nešto banalno. Nije tamna materija. Nije kvantna dekoherencija izazvana kozmičkim zrakama. Nije čak ni sabotaža od strane klasičnih računala koja su ljubomorna na novu djecu u kvartu. Ne, izvor buke su defekti u materijalu. Točnije, fluktuacije naboja uzrokovane nesavršenostima u poluvodičkoj strukturi. Dakle, taj problem koji muči poluvodičku industriju od dana kad je prvi transistor ispao iz pećnice s malo više nečistoća nego što je trebalo. Isto sranje, drugi omot.

Ono što je fascinantno — ne, neću koristiti tu riječ, to je na crnoj listi — ono što je zapravo zanimljivo u cijeloj priči je da je industrija kvantnog računalstva godinama gradila modele koji su pretpostavljali da je šum nešto što se može ignorirati, ili bar popraviti softverski. Kao da gradiš most i kažeš: "Ne brini za čelik, mi ćemo to riješiti u aplikaciji." Rezultat je da imamo kvantna računala koja postoje, koja rade, ali koja su toliko bučna da je korisni kvantni volumen — mjera koliko složen problem stroj zapravo može riješiti — još uvijek patetično mali. Istraživanje koje je identificiralo izvor buke u spin qubitovima nije otkriće koje će sutra donijeti kvantnu nadmoć. To je otkriće koje kaže: "Evo, sad znamo što popraviti." A popravak će trajati godine, jer materijali i proizvodni procesi u poluvodičkoj industriji ne mijenjaju se preko noći. To je kao da otkriješ da ti auto ne vozi jer su gume četvrtaste, ali ti ne možeš jednostavno kupiti nove — moraš izgraditi tvornicu za okrugle gume.

I tu dolazimo do dijela koji me, kao čovjeka koji je proveo godine u IT industriji, najviše živcira. Cijela kvantna industrija — od startupa koji obećavaju kvantnu nadmoć "za pet godina" (obećanje koje se ponavlja svakih pet godina od 1990-ih) do velikih igrača koji ulažu milijarde u razvoj — funkcionira na principu "riješit ćemo to u idućoj iteraciji". Spin qubitovi su obećavali da će biti drugačiji. "Oni su kompatibilni s postojećom poluvodičkom proizvodnjom!" vikali su investitori. "Možemo ih proizvoditi u istim tvornicama koje prave čipove za tvoj mobitel!" To je istina. Ali ono što su zaboravili spomenuti je da te tvornice proizvode čipove koji su dizajnirani da budu imuni na šum, da imaju greške na razini od jednog na milijardu operacija. Kvantni čipovi, s druge strane, zahtijevaju da svaka komponenta bude savršena, jer jedan defekt u materijalu može uništiti cijeli izračun. To je kao da koristiš istu kuhinju za pripremu Michelinove večere i za prženje pomfrita za tisuću ljudi. Možeš, ali rezultat neće biti taj.

I sada, kad su istraživači identificirali točan mehanizam buke — fluktuacije naboja uzrokovane defektima u oksidnom sloju i na granicama između materijala — rješenje zvuči jednostavno: očisti materijal. Napravi ga čistijim. Smanji defekte. To je, naravno, isto što i reći "napravi bolji čip" ili "osvoji nogometnu utakmicu tako što ćeš zabiti više golova". Tehnički točno, praktički beskorisno bez detaljnog plana. Jer proizvodnja poluvodiča je već na rubu fizičkih mogućnosti. Svaki dodatni postotak čistoće zahtijeva godine istraživanja, milijarde dolara i nevjerojatnu inženjersku preciznost. A kvantno računalstvo, za razliku od klasičnog, nema luksuz da tolerira čak ni mali postotak grešaka. Kvantna korekcija grešaka postoji, ali ona zahtijeva ogroman broj fizičkih qubitova da bi proizvela jedan logički qubit. Procjene govore da ćeš za korisno kvantno računalo trebati milijune fizičkih qubitova. Milijune. I svaki od njih mora biti gotovo savršen.

Čitava situacija podsjeća na ranu fazu razvoja klasičnih računala, kad su ljudi vjerovali da će tranzistori zamijeniti elektronske cijevi i riješiti sve probleme. Jesu, ali ne preko noći. Trebalo je desetljeće da se prijeđe s prvog tranzistora na prvi komercijalni tranzistorski radio, i još desetljeće do prvog računala koje je koristilo isključivo tranzistore. Kvantno računalstvo je u istoj fazi. Imamo prve qubitove, prve procesore, prve demonstracije da koncept funkcionira. Ali ono što nemamo je proizvodni proces koji može napraviti milijune savršenih qubitova po cijeni koju itko može platiti. Istraživanje o izvoru buke u spin qubitovima je korak naprijed, ali je korak na putu dugom stotinu kilometara.

I evo gdje dolazimo do onog dijela koji najviše boli. Dok istraživači u laboratorijima po cijelom svijetu rade na identificiranju i otklanjanju buke, industrija kvantnog računalstva nastavlja s pričom da je kvantna nadmoć "odmah iza ugla". Kompanije prodaju pristup kvantnim procesorima preko oblaka, naplaćuju pretplate za računanje koje su, u najboljem slučaju, marginalno brže od klasičnih simulacija. I ljudi to kupuju. Ne zato što kvantna računala rade, nego zato što je ideja da će raditi toliko privlačna da su spremni platiti za obećanje. To je kao da platiš pretplatu na teretanu u kojoj još nema sprava, ali ti obećavaju da će ih postaviti "uskoro". I vjeruješ im, jer je ideja da ćeš biti u formi bolja od stvarnosti da si trenutno na kauču.

Istraživanje o izvoru buke u spin qubitovima je važno. Jako važno. Daje smjer, fokus i konkretan problem koji treba riješiti. Ali nemojmo se zavaravati — to nije prekretnica. To je jedna od onih točaka na putu gdje shvatiš da si, nakon što si prešao pola planine, tek na pola puta do vrha. Spin qubitovi su obećavajući, ali obećavajući ne znači i spremni. Kao i većina stvari u kvantnom svijetu, i ovo će trajati duže nego što itko želi priznati. I to je u redu. Kvantno računalstvo će doći. Pitanje je samo hoće li doći prije nego što investitori izgube strpljenje i krenu u potragu za sljedećim velikim obećanjem.

Izvor: phys.org