Kas tie jotai ir kodėl jie taip svarbūs?
Kai kalbame apie kvantinę kompiuteriją, dažniausiai girdime apie kubitus – kvantinės informacijos vienetus. Tačiau šiandien noriu pasigilinti į vieną iš įdomiausių ir perspektyviausių šios srities krypčių – jotų (neutral atoms) technologiją. Skirtingai nei superlaidžių grandinių ar jonų spąstų platformos, neutralūs atomai siūlo unikalų požiūrį į kvantinių būsenų valdymą.
Neutralūs atomai – tai paprasčiausiai atomai, kurie nėra jonizuoti, vadinasi, turi visus savo elektronus. Dažniausiai naudojami šalti rubidžio (Rb) ar cezio (Cs) atomai, atšaldyti beveik iki absoliutaus nulio temperatūros. Kodėl būtent jie? Nes tokioje temperatūroje atomai juda labai lėtai, o tai leidžia juos tiksliai kontroliuoti ir manipuliuoti jų kvantinėmis būsenomis.
Pagrindinis privalumas – galime sukurti dideles kvantinių bitų matricas. Kalbame apie šimtus ar net tūkstančius atomų, išdėstytų erdvėje su mikrometrų tikslumu. Tai neįtikėtinas mastas, palyginti su kitomis kvantinių kompiuterių platformomis, kur keliasdešimt kubitų jau laikoma dideliu pasiekimu.
Kaip sugauti ir išlaikyti atomą vietoje
Turbūt skamba kaip mokslinė fantastika – kaip galima „pagauti” atskirą atomą ir jį laikyti tam tikroje pozicijoje? Atsakymas slypi optiniuose spąstuose (optical tweezers). Tai labai sutelkti lazerių spinduliai, kurie sukuria potencialinę duobę – vietą, kur atomui energetiškai naudingiausia būti.
Įsivaizduokite rutuliuką ant gumos paviršiaus, kuris yra įspaustoje vietoje. Atomui lazerio sukurtoje potencialinėje duobėje panašiai – jis tiesiog „krenta” į tą vietą ir ten lieka. Bet čia ne mechaninė jėga, o elektromagnetinė sąveika tarp lazerio šviesos ir atomo elektronų debesies.
Praktiškai tai atrodo taip: turime dvimatę optinių spąstų matricą, sukurtą naudojant erdvinį šviesos moduliatorių (SLM) arba mikroveidrodžių matricą (DMD). Šie įrenginiai leidžia dinamiškai keisti lazerių pozicijas ir intensyvumą. Galime „piešti” bet kokias konfigūracijas erdvėje – tiesines grandines, dvimates gardeles, net trimates struktūras.
Kas įdomu – ne kiekvienas spąstas sugauna atomą. Atomai paprastai įkeliami iš magneto-optinės spąstų (MOT) sistemos, kur jų yra atsitiktinis skaičius. Todėl reikia papildomo žingsnio: nuskaitome, kuriuose spąstuose yra atomai, o tada perjudiname juos iš užpildytų pozicijų į tuščias, kad gautume pilną, be trūkumų matricą. Šis procesas vadinamas „defektų šalinimu” ir užtrunka vos kelias milisekundes.
Kvantinių būsenų manipuliavimas lazeriais
Gerai, turime atomus, išdėstytus erdvėje. Dabar reikia juos paversti kubitais – kvantinės informacijos vienetais. Čia prasideda tikroji magija.
Kiekvienas kubitas koduojamas dviejose atomo energijos būsenose. Dažniausiai tai yra dvi hiperfino struktūros būsenos pagrindiniame energijos lygyje. Pavyzdžiui, rubidžio-87 atveju naudojame |F=1, mF=0⟩ ir |F=2, mF=0⟩ būsenas. Kodėl būtent šios? Jos yra mažiausiai jautrios išoriniams magnetiniams laukams, o tai reiškia ilgesnius koherencijos laikus.
Norėdami manipuliuoti šiomis būsenomis, naudojame rezonansinius lazerius arba mikrobangų spinduliuotę. Vieno kubito operacijos (vadinamieji vieno kubito vartai) atliekamos apšviečiant konkretų atomą lazeriu, kuris sukelia Rabi osciliacijas tarp dviejų būsenų. Kontroliuodami impulso trukmę ir fazę, galime atlikti bet kokią vieno kubito rotaciją Blocho sferoje.
Bet tikrasis kvantinio kompiuterio galias slypi dviejų kubitų operacijose – tai, kas sukuria kvantinį persipynimą. Jotų platformoje tai pasiekiama naudojant Rydbergo blokadą. Štai kaip tai veikia: atomą sužadiname į labai aukštą energijos būseną, vadinamą Rydbergo būsena. Tokioje būsenoje atomas tampa milžiniškas (kvantine prasme) – jo elektronų debesis išsiplečia iki mikrometrų dydžio.
Rydbergo blokada – kvantinio persipynimo šaltinis
Rydbergo būsenoje esantis atomas sąveikauja su gretimais atomais per stiprią dipolinę-dipolinę sąveiką. Ši sąveika tokia stipri, kad jei vienas atomas yra Rydbergo būsenoje, jis „blokuoja” gretimus atomus nuo sužadinimo į tą pačią būseną. Tai vadinama Rydbergo blokada, ir būtent ji leidžia sukurti kontroliuojamą sąveiką tarp kubitų.
Praktiškai dviejų kubitų vartai realizuojami taip: abu atomus vienu metu bandome sužadinti į Rydbergo būseną. Dėl blokados efekto galutinė būsena priklauso nuo abiejų atomų pradinių būsenų – tai ir yra persipynimas. Kontroliuodami lazerių parametrus, galime realizuoti universalų dviejų kubitų vartą, pavyzdžiui, kontroliuojamą-Z (CZ) vartą.
Kas įdomu – Rydbergo blokados spindulys gali siekti 10-20 mikrometrų. Tai reiškia, kad vienas atomas gali vienu metu sąveikauti su daugeliu kaimynų. Šis daugiadalelinis persipynimas atveria duris naujiems kvantiniams algoritmams ir simuliacijoms, kurios būtų neįmanomos su tradicinėmis vartų modelio architektūromis.
Žinoma, Rydbergo būsenos turi ir trūkumų. Jos labai trumpaamžės – gyvena tik kelias dešimtis mikrosekundžių. Todėl operacijos turi būti atliekamos greitai. Be to, Rydbergo atomai jautrūs elektromagnetiniams laukams ir juodojo kūno spinduliuotei, todėl reikalinga labai švari vakuuminė aplinka ir kriogeninė ekranuotė.
Temperatūros ir koherencijos iššūkiai
Vienas didžiausių praktinių iššūkių – išlaikyti atomus pakankamai šaltus. Kalbame apie mikrokelvinius – milijonines kelvinų laipsnio dalis. Tokioje temperatūroje atomai juda vos keliais centimetrais per sekundę, bet net ir tai gali būti problema.
Atomų judėjimas optiniuose spąstuose sukelia Doplerio poslinkį, kuris gali sutrikdyti tikslų rezonansinį sužadinimą. Todėl prieš atliekant kvantines operacijas, atomai papildomai atšaldomi naudojant Raman šalimo techniką arba išleidžiami į laisvą kritimą, kur jie tampa beveik nejudantys (jų judėjimo energija išsiskleidžia į gravitacinę potencialinę energiją).
Koherencijos laikas – kitas kritinis parametras. Tai laikas, per kurį kvantinė būsena išlaiko savo fazės informaciją. Jotų platformose koherencijos laikai gali siekti sekundes pagrindiniuose hiperfino lygiuose, bet praktiškai apsiriboja keliais šimtais milisekundžių dėl lazerio fazės triukšmo ir magnetinio lauko fliuktuacijų.
Norint pagerinti koherenciją, naudojamos įvairios technikos:
- Magnetinis ekranavimas – kelių sluoksnių mu-metalo apsauga, sumažinanti išorinius magnetinius laukus iki nanoteslų lygio
- Lazerio stabilizavimas – naudojant aukšto finetės optines ertmes, lazerio linijos plotis susiaurinamas iki hercų ar net milihercų
- Dinaminis atskyrimas – specialios impulsų sekos, kurios kompensuoja lėtai kintančius triukšmo šaltinius
- Kriogeninė aplinka – sumažina juodojo kūno spinduliuotę, kuri gali jonizuoti Rydbergo atomus
Skalabilumo perspektyvos ir architektūriniai sprendimai
Vienas didžiausių jotų platformos privalumų – natūralus skalabilumas. Skirtingai nei superlaidžių kubitų sistemos, kur kiekvienas kubitas reikalauja atskirų mikrobangų linijų ir kontrolės elektronikos, jotai gali būti kontroliuojami globaliais lazerių laukais su vietine moduliacija.
Šiuo metu demonstruojamos sistemos su 100-300 atomų. Bet teoriškai galima pasiekti tūkstančius ar net dešimtis tūkstančių. Pagrindinė kliūtis – optinė galia ir kontrolės sudėtingumas. Kiekvienas papildomas atomas reikalauja papildomos optinės galios spąstams palaikyti ir tikslesnės pozicionavimo kontrolės.
Vienas įdomus architektūrinis sprendimas – modulinė sistema. Užuot bandę sukurti vieną milžinišką atomų matricą, galime turėti kelias mažesnes matricas, sujungtas optinėmis sąsajomis. Atomai gali būti „perkeliami” tarp modulių naudojant judančius optinius spąstus arba jų kvantinės būsenos gali būti perduodamos per fotonus.
Kitas požiūris – hibridinės sistemos. Pavyzdžiui, jotų masyvas galėtų veikti kaip kvantinė atmintis, o superlaidūs kubitai – kaip procesorius. Arba jotai galėtų būti naudojami specifinėms užduotims, tokioms kaip kvantinė simuliacija, o universalūs vartų modelio skaičiavimai atliekami kitoje platformoje.
Praktinės taikymo sritys ir dabartiniai rezultatai
Nors pilnai funkcionuojantis, klaidų korekcijos galimybę turintis kvantinis kompiuteris dar toli, jotų platformos jau dabar rodo įspūdingus rezultatus specifinėse srityse.
Kvantinė simuliacija – tai, ko gero, natūraliausia jotų taikymo sritis. Galime tiesiogiai simuliuoti kondensuotos medžiagos sistemas, tokias kaip Hubbardo modelis ar kvantiniai magnetai. 2021 metais Harvard universiteto grupė demonstravo 256 atomų sistemą, kuri simuliavo egzotiškus fazių perėjimus ir kvantinę termodinamiką. Tai buvo neįmanoma klasikiniais kompiuteriais.
Optimizavimo uždaviniai – naudojant kvantinį adiabatinį algoritmą (QAA) arba kvantinę apytikslę optimizavimo algoritmą (QAOA), jotų sistemos gali spręsti kombinatorinius optimizavimo uždavinius. Pavyzdžiui, maksimalaus nepriklausomo rinkinio (MIS) problema grafuose gali būti tiesiogiai suformuluota kaip Rydbergo atomų konfigūracija.
Kvantinis mašininis mokymasis – nors dar ankstyvoje stadijoje, jotų platformos gali būti naudojamos kvantiniams neuroniniams tinklams realizuoti. Atomų sąveikos gali modeliuoti netiesinius ryšius tarp neuronų, o kvantinis persipynimas suteikia papildomą skaičiavimo galią.
Konkrečiai kalbant apie pasiekimus: 2023 metais QuEra Computing kompanija paleido komercinę prieigą prie 256 kubitų jotų kvantinio kompiuterio per AWS. Tai pirmas kartas, kai jotų technologija tapo viešai prieinama. Nors dar ne visiškai paruošta gamybai, tai svarbus žingsnis link praktinio panaudojimo.
Kita įdomi kryptis – kvantinis atkaitinimas (quantum annealing) su jotais. Skirtingai nei D-Wave sistemos, kurios naudoja fiksuotą sąveikos topologiją, jotų platformos leidžia programuoti bet kokią sąveikos geometriją. Tai suteikia daug didesnį lankstumą sprendžiant optimizavimo uždavinius.
Ateities horizontai ir ko tikėtis artimiausiais metais
Jotų technologija sparčiai bręsta. Artimiausiais 3-5 metais galime tikėtis kelių svarbių proveržių.
Pirma, klaidų korekcija. Šiuo metu jotų sistemos veikia „triukšmingoje tarpinės skalės kvantinėje” (NISQ) režime, kur klaidos kaupiasi ir riboja skaičiavimų gylį. Bet jau demonstruojami pirmieji klaidų korekcijos kodai su jotais. Paviršiaus kodas (surface code) yra natūraliai suderinamas su dvimate atomų gardele.
Antra, didesnės sistemos. Technologiškai nėra fundamentalių kliūčių pasiekti tūkstančius atomų. Pagrindinis iššūkis – kontrolės sistemos sudėtingumas. Bet su pažanga fotoniuose integruotuose grandynuose ir erdviniuose šviesos moduliatoriuose, tai tampa vis labiau įmanoma.
Trečia, hibridinės architektūros. Matome vis daugiau projektų, jungiančių skirtingas kvantines platformas. Jotai puikiai tinka ilgalaikei kvantinei atminčiai, o superlaidūs kubitai – greitiems skaičiavimams. Tokia kombinacija galėtų duoti geriausius abiejų pasaulių rezultatus.
Ketvirta, nauji algoritmai. Jotų platformos turi unikalių savybių – daugiadalelį persipynimą, programuojamą geometriją, analoginį-skaitmeninį hibridinį valdymą. Tai atvers naujas algoritmines galimybes, kurios dar nėra visiškai išnagrinėtos.
Praktiškai, jei planuojate eksperimentuoti su jotų kvantiniais kompiuteriais, štai keletas rekomendacijų:
- Pradėkite nuo simuliacijų – yra nemokamų programinių įrankių, tokių kaip Bloqade.jl ar Pulser, kurie leidžia modeliuoti jotų sistemas
- Išmokite kvantinės mechanikos pagrindų – būtina suprasti Rydbergo būsenas ir blokados mechanizmą
- Susipažinkite su optimizavimo algoritmais – QAOA ir QAA yra natūraliausi algoritmai jotų platformoms
- Sekite mokslinę literatūrą – šis laukas labai greitai vystosi, nauji rezultatai publikuojami kiekvieną mėnesį
Kodėl jotai gali laimėti kvantinę lenktynę
Kvantinių kompiuterių srityje vyksta tikros technologijų lenktynės. Superlaidūs kubitai (IBM, Google), jonų spąstai (IonQ, Honeywell), fotonai (Xanadu, PsiQuantum), topologiniai kubitai (Microsoft) – kiekviena platforma turi savo privalumų ir trūkumų.
Jotų technologija išsiskiria keliais aspektais. Pirma, natūralus skalabilumas – galime turėti šimtus ar tūkstančius kubitų be eksponentiškai augančios kontrolės sudėtingumo. Antra, lankstumas – atomų konfigūracija gali būti dinamiškai keičiama kiekviename eksperimente. Trečia, ilgi koherencijos laikai pagrindiniuose lygiuose – sekundės, palyginti su mikrosekundėmis superlaidžiuose kubituose.
Žinoma, yra ir iššūkių. Dviejų kubitų vartų tikslumas dar atsilieka nuo superlaidžių kubitų. Rydbergo būsenų trumpaamžiškumas riboja operacijų greitį. Bet šie iššūkiai yra inžineriniai, ne fundamentalūs – su geresniais lazeriais, geresne kontrole ir geresniu triukšmo valdymu jie gali būti įveikti.
Galiausiai, jotų technologija turi dar vieną svarbų privalumą – ji gali būti naudojama ne tik kaip kvantinis kompiuteris, bet ir kaip kvantinis simuliatorius. Tai reiškia, kad net jei universalus, klaidų korekcijos galimybę turintis kvantinis kompiuteris dar toli, jotų sistemos jau dabar gali spręsti praktinius mokslo uždavinius – simuliuoti naujus medžiagas, tirti kvantines fazių perėjimus, modeliuoti molekulines sistemas.
Taigi, stebint šios technologijos raidą, verta sekti ne tik kubitų skaičių ar vartų tikslumą, bet ir konkrečius mokslinius rezultatus. Ar jotų sistema gali atsakyti į klausimus, į kuriuos klasikiniai kompiuteriai negali? Ar ji gali pagreitinti realius pramonės procesus? Būtent šie kriterijai galiausiai nuspręs, kuri kvantinė platforma taps dominuojančia. Ir jotai tikrai turi visas galimybes būti tarp lyderių.
