Razvoj kvantnih naprav je maraton

Letošnje leto je generalna skupščina Združenih narodov razglasila za mednarodno leto kvantne znanosti in tehnologije, saj letos mineva sto let od začetka razvoja sodobne kvantne mehanike. »To je temelj našega razumevanja sveta, v katerem živimo,« je v pogovoru poudaril prof. dr. Rok Žitko, raziskovalec na Institutu Jožef Stefan. »Hkrati pa razvijamo tehnologije, ki v svojem jedru uporabljajo temeljne kvantne pojave, pri čemer govorimo o drugi kvantni revoluciji,« je dodal.

Kvantna teorija je odgovorila na nekatera ključna vprašanja klasične fizike konec 19. stoletja, obenem pa s pojavi, kot so superpozicija stanj, prepletenost, kolaps valovne funkcije, odprla neslutene možnosti tehnološkega napredka – od razvoja varne komunikacije, natančnih meritev do kvantnih računalnikov in simulatorjev, ki bi lahko omogočili reševanje problemov, ki jim niso kos niti najboljši klasični računalniki.

Začniva s prvo kvantno revolucijo. Kako sta kvantna znanost in tehnologija že do zdaj vplivali na naše življenje?

Tehnološki razvoj v preteklem stoletju je bil vseskozi tesno povezan s kvantno fiziko. Praktično vsa sodobna elektronika in sredstva za komuniciranje izrabljajo pojave, za razumevanje katerih je bila potrebna oziroma koristna kvantna mehanika. V celotni industriji polprevodnikov se ukvarjajo s tipičnimi kvantnomehanskimi vprašanji: zakaj je neki material kovinski, zakaj je drugi polprevodniški, kako lahko vplivamo na lastnosti materialov z dodajanjem nečistoč, kako te vplivajo na obnašanje elektronov v materialu … Poznavanje temeljev kvantne mehanike je zagotovo pospešilo napredek. Zaradi teorij kvantne mehanike so se lažje porajale ideje, ki so vodile v eksperimentalne potrditve.

Zdaj smo torej v drugi kvantni revoluciji – kakšna je bistvena razlika v primerjavi s prvo?

Pri napravah starejše generacije so na podlagi zakonitosti kvantne teorije razložili osnovne lastnosti materialov. Tako smo jih lahko okarakterizirali s številkami. Na primer za prevodnost ali kakšne druge parametre, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju vezij. Na koncu se je skozi naprave pretakalo na milijarde elektronov, ki jih lahko obravnavamo kot nekakšno tekočino. Vsa kvantna mehanika je bila pravzaprav skrita v nekaj številkah.

Zdaj pa se ukvarjamo z napravami, ki uporabljajo posamezne kvantne delce. Za samo delovanje naprave je ključno to, da izkoriščajo aktivni učinek kvantnomehanskih načel, kot sta superpozicija stanj in prepletenost.

V kvantnem svetu si snov lahko predstavljamo tudi kot valovanje. Govorimo o dualnosti, v nekaterih primerih se delci obnašajo kot delci, v drugih kot valovanje. Obnašanje pa je odvisno od konteksta, v kakšni napravi delujejo, v kakšnem polju. Dejstvo, da se delci lahko obnašajo tudi kot valovanje, pomeni, da lahko ta valovanja seštevamo, da lahko tvorimo kombinacije. Nosilci informacij v kvantnem svetu so kubiti, ki imajo lahko vrednost malo nič in malo ena. Čeprav to ni najbolj pravilna razlaga. Pravilno je reči, da je kubit v superpoziciji obeh stanj.

Ko delce postavimo v superpozicijo, lahko nekako v narekovajih delamo stvari hkrati. Temu rečemo tudi kvantni paralelizem. Vendar to ni mišljeno popolnoma dobesedno, da bi lahko ogromno stvari hkrati izračunali, saj je na koncu tega procesa treba opraviti meritev. Takrat se ogromno informacij izgubi, ker lahko izmerimo le enega izmed rezultatov. V kvantnem računalništvu moramo biti zviti, da ta paralelizem uporabimo tako, da lahko iz gore skritih verjetnosti izluščimo uporaben rezultat.

IBM-ov kvantni računalnik FOTO: Angela Weiss/AFP

O kvantnih računalnikih se govori že dolgo. Na kateri točki razvoja so?

Že to, kar imamo danes, je pravzaprav veliko. Še ne dolgo nazaj so trdili, da ne bomo mogli izdelati niti takšnih naprav, kot jih imamo danes. Danes torej govorimo o računalnikih z redom 100 kubitov. Zdaj smo v fazi, ko s poskusi želijo dokazati, da se s temi napravami da izvajati računske postopke in reševati probleme, ki jih s tradicionalnimi računalniki ne moremo.

Je pa treba priznati, da so ti problemi nekoliko »umetni«, da gre za probleme v naravoslovju, abstraktni matematiki, zato je težko govoriti o uporabni vrednosti kvantnih računalnikov v smislu, da bi bili primerni za industrijsko uporabo. Se pa temu približujemo. Verjetno pa bodo potrebni kakšni preboji.

Kakšni? Kaj jih onemogoča?

Računalnike razvijajo po različnih pristopih in pravzaprav še ne vemo, kateri je pravi. Pri vsakem so ovire. Eden od pristopov so recimo superprevodni kvantni računalniki. Tu je ena glavnih ovir sam material, nečistoče v materialih povzročajo elektromagnetne motnje, ki kvarijo zelo občutljivo kvantno informacijo. Po drugi strani je v sistemih, kjer se podatki shranjujejo v nevtralnih atomih, problem z motnjami bistveno manjši, je pa težje te sisteme kontrolirati in izvajati operacije z zelo veliko natančnostjo. Upamo, da nam bo vsaj pri enem izmed pristopov uspelo odpraviti vse oziroma večino težav.

»Kvantne pike lahko na površinah materialov povzročijo nastanek nekih dodatnih, dolgoživih stanj. Pojavila se je ideja, da bi lahko kvantno informacijo shranjevali v ta stanja.« FOTO: Jože Suhadolnik

V tem času jih veliko stavi na umetno inteligenco, da bo lahko reševala pomembna vprašanja, recimo v medicini, podnebni znanosti in podobno. Kakšne naloge bi lahko reševali kvantni računalniki?

V javnosti se pojavlja zmotno prepričanje, da so kvantni računalniki le boljši in hitrejši od klasičnih računalnikov, v resnici pa so povsem nov tip naprav in kot taki relevantni za drugačen tip problemov. Vendar ne gre za abstraktne in nezanimive probleme, da bi bila tehnologija sama sebi namen. Z njimi bi lahko reševali nekatera osrednja vprašanja v fiziki, kemiji ali načrtovanju materialov, farmakoloških učinkovin, pri katerih gre za kvantnomehanske probleme. Ti so zelo težko izračunljivi na klasičnih računalnikih zaradi narave kvantnega sveta, v katerem živimo.

Verjetno bodo glavni uporabniki kvantnih računalnikov raziskovalci in razvojniki, ki jih bodo uporabljali kot orodje za simulacije in načrtovanje. Manj gre pričakovati, da bomo kvantne računalnike imeli doma, ne moremo pa tega povsem izključiti.

Ob tem je zagotovo treba poudariti, da niti še ne vemo, kakšen je nabor možnih kvantnih algoritmov. Zelo verjetno je, da se bodo z razvojem strojne opreme in rastjo raziskovalne skupnosti porajale nove ideje o uporabi, o katerih danes niti ne razmišljamo. Enako je bilo pri klasičnem računalništvu. Za nekoga, ki je razvijal prve računalnike, bi bila današnja uporabnost povsem nedoumljiva.

Bo kvantni računalnik pomagal povezati kvantno mehaniko in splošno teorijo relativnosti?

Težko rečem. Menim, da bo tu pomembnejšo vlogo odigral človeški um.

Ko se pogovarjamo o izdelavi vedno večjih kvantnih računalnikov, je temeljno vprašanje, ali z dodajanjem gradnikov v vedno večje naprave še ostajamo v domeni, ki jo dobro opisuje kvantna mehanika, kakršno poznamo danes, ali pa bodo tu kakšna presenečenja.

Se pa razvoj, oziroma morda pomembneje, vlaganja v razvoj ne zmanjšujejo zaradi prej omenjenih težav na razvojni poti?

Tisti, ki se s tem ukvarjamo, se zavedamo, da gre za maraton. Je pa v to področje vloženega veliko zasebnega kapitala in je umestno vprašanje, ali so vlagatelji ustrezno potrpežljivi, ker je jasno, da množično uporabnih izdelkov prav kmalu ne bo. Osnovne raziskave so sicer sofinancirane iz javnih virov. Razvoj kvantnih računalnikov je po strategiji Evropske unije nadnacionalni projekt, posledično je dovolj dobro tudi sofinanciranje raziskav.

Drugo živahno področje, pri katerem sodelujete tudi slovenski raziskovalci v projektu SiQUID, je razvoj kvantne komunikacije. Kaj je glavna motivacija razvoja?

S prenašanjem šifrirnih ključev rešujemo vprašanje varne komunikacije. Kako prenesti šifrirni ključ na dve lokaciji, da se sogovornika pogovarjata varno, ne da bi njun pogovor nekdo prestregel. Do danes smo to reševali s tako imenovano asimetrično kriptografijo. Po tem postopku si stranki izmenjata ključa tako, da je računsko zelo težko, da bi se napadalec dokopal do obeh ključev, ni pa nemogoče. Asimetrična kriptografija temelji na računskih operacijah, ki so zelo enostavne v eno smer, v obratno smer pa zelo težko izvedljive. Pravzaprav je zanimivo, da je bil eden prvih predlogov, kako uporabiti kvantne računalnike, ravno razvozlavanje tega obratnega izračuna.

S kvantno izmenjavo ključev smo varni ne le pred napadi s kvantnimi računalniki, ampak pravzaprav pred katerimkoli prihodnjim tehnološkim razvojem. Tudi tistim, ki ga danes še ni. Ker nam temelji kvante mehanike zagotavljajo, da pravilno implementirani rešitvi pravzaprav ni mogoče na noben način prisluškovati. To je osnovna aplikacija.

Matematična varovalka modernega sveta: od enigme do kvantnih ključev

Širše pa pri kvantni komunikaciji govorimo o izrazu kvantni internet oziroma omrežju, ki bo omogočalo povezovanje različnih kvantnih naprav. To je bistveno več kot izmenjava ključev. Pri tem si izmenjujemo kvantno prepletenost med delci. Danes v laboratorijih eksperimente izvajamo z nekaj fotoni. Želja je bila, da bi delce svetlobe razposlali na velike razdalje. Težava je bila v tem, da se svetloba ob potovanju skozi medij lahko sipa, absorbira, tako bo treba iznajti ali pa izboljšati naprave, kvantne repetitorje, ki omogočajo prepošiljanje kvantne informacije. Te naprave danes že obstajajo, a še niso dovolj dobre, da bi omogočale prenašanje prepletenosti na velike razdalje. V nekoliko bolj oddaljeni prihodnosti bomo verjetno lahko povezali v omrežje tudi kvantne računalnike, kar bo omogočalo še več računskih operacij.

Druga zanimiva uporaba pa je povezava kvantnih senzorjev. Lahko bi dobili senzor v velikosti planeta. To bi nam omogočilo neslutene meritve. Ampak to so projekti naslednjih desetletij 21. stoletja.

Pester nabor raziskav s tega področja vodite tudi na IJS. Katere bi posebej omenili?

Močna področja na IJS, ki se dotikajo kvantne znanosti, so raziskave materialov, kot so magneti, superprevodniki ali pa močno korelirani elektronski sistemi. Gre za materiale, v katerih se elektroni med seboj »čutijo« in se nato zato bistveno bolj zapleteno obnašajo. Sicer so posledično bolj občutljivi za zunanje motnje, a imajo večjo potencialno uporabo.

Zelo veliko se ukvarjamo s samo teoretično fiziko, ki ima pri nas dolgo tradicijo, to področje se nato preliva na druga, bolj aplikativna področja. Vpeti smo tudi v širši slovenski konzorcij pri razvoju kvantnih komunikacij.

Gotovo je treba omeniti še fiziko hladnih atomov. V našem laboratoriju smo sposobni uloviti majhno število atomov v optičnih pasteh in jih potem ohladiti do izjemno nizkih temperatur, govorim o nanokelvinih, praktično smo blizu absolutne ničle. Takrat se ti atomi začnejo obnašati kot kvantnomehanski delci in tvorijo tako imenovani Bose-Einsteinov kondenzat. V tem primeru so vsi delci v istem stanju, če malo karikiram, radi so skupaj. S temi kondenzati lahko opravljamo najrazličnejše poskuse, atome se da premikati po prostoru, ker se obnašajo kvantno, velja načelo superpozicije, obnašajo se tudi kot valovanja in zato prihaja do raznih interferenčnih pojavov.

Vi osebno pa se ukvarjate s kvantnimi pikami?

Širše se področje imenuje fizika kvantnih nečistoč, ki ima prav tako že skoraj stoletno zgodovino. Začelo se je s tem, da so pri ohlajanju nekaterih materialov opazili, da upornost najprej pada, kar je običajna lastnost za kovine, potem doseže minimum, nato pa upornost začne naraščati. Kar je bilo presenečenje in nerazumljen pojav. Ugotovili so, da gre za to, da so v nekaterih kovinah prisotne nečistoče, ki se obnašajo kot drobni magneti. Sredi 70. let prejšnjega stoletja so ugotovili, da gre za tako imenovani Kondov pojav, ti drobni magnetki v nečistočah so zasenčeni s prevodniškimi elektroni v tej kovini.

Do leta 2000 je bilo področje nekoliko manj živahno, nato pa so začeli izdelovati drobne naprave, torej tako imenovane kvantne pike. Predstavljamo si jih lahko kot majhne otočke iz polprevodniških materialov, kamor se lahko ujame manjše število elektronov. S tem ustvarimo umeten atom, ki ga kot z gumbom lahko selimo po periodnem sistemu, kjer so nekateri elementi magnetni, drugi pa ne. Vsi ti pojavi so relevantni v elektroniki, saj močno vplivajo na prevodnost.

Vse to je postalo pomembno tudi za fiziko površin. Kvantne pike lahko na površinah materialov povzročijo nastanek nekih dodatnih, dolgoživih stanj. Pojavila se je ideja, da bi lahko kvantno informacijo shranjevali v ta stanja. Moje raziskave se večinoma vrtijo okoli tega, kako s kombiniranjem pojavov s področja magnetizma in superprevodnosti ustvarjamo dolgoživa kvantna stanja.

»Medtem ko pri določenih vejah fizike teoretična vprašanja ostajajo odprta zelo dolgo, ker eksperimenta z obstoječo tehnologijo niti ni mogoče opraviti, so v kvantni fiziki stvari videti dosegljive.« FOTO: Jože Suhadolnik  

Evropa si želi, da bi bila vodilna na kvantnem področju. Kako ste slovenski fiziki vpeti v mednarodno skupnost?

Menim, da imamo zelo dobro tradicijo bazičnih raziskav. Z aplikativnimi vidiki pa se ukvarjamo šele zadnje desetletje. Počasi napredujemo. Potrebna bi bila večja vlaganja. Se pa prebuja tudi naša industrija, tako da interes narašča. Mislim, da bi industrija lahko bila pravi motor razvoja.

Res, zdi se, da v tujini denimo razvoj narekujejo Google, Microsoft, IBM …

In še številna druga podjetja, ki so morda manj javno izpostavljena. Zelo veliko vlaganj je v obrambnem sektorju, kjer nujno potrebujejo varno komunikacijo. Tam se stvari odvijajo brez pompoznih sporočil za javnost. Marsikaj se pojavlja »čisto mimogrede«.

Področje kvantne senzorike je denimo že zelo razvito, pa se o njem ne govori veliko. Izdelujejo se naprave za zelo občutljive meritve, recimo gravitacijskega polja in pojavov v notranjosti Zemlje. Na primer na pobočjih ognjenikov. Ideja je, da bi senzorji lahko zaznavali dogajanje v notranjosti Zemlje, in morda bi lahko napovedovali geološke dogodke. Vsekakor nam te naprave dajejo dodatno informacijo, ki je z običajnimi seizmografi ne moremo dobiti.

Koliko je zanimanja med mladimi za to področje?

Področje je zelo atraktivno. Mislim, da ravno zato, ker je veliko konceptualnih izzivov. To privablja en tip študentov. Po drugi strani pa se razvijajo konkretne naprave, kar privablja drugo skupino študentov. Hkrati se stvari na nekaterih področjih šele dobro začenjajo, tako da so priložnosti, da so študentje zraven praktično od začetka razvoja. Področje je v ekspanziji, pričakujemo lahko pomanjkanje kadrov, kar marsikoga že resno skrbi.

Kaj je za vas najbolj fascinantno pri kvantni fiziki?

Predvsem eksperimenti, ki jih v klasični fiziki sploh ne moremo razložiti. Študentom na primer rad predstavim poskus z napravami z občutljivimi senzorji. Zgodba je taka: bombe imajo detonator, ki je občutljiv na en sam delec svetlobe, vendar pa ne vemo, katere bombe so delujoče in katere so pokvarjene. Iz množice bi radi odbrali tiste, ki zanesljivo delujejo, ne da bi jih detonirali. V okviru klasične fizike to ne gre, če bi posvetili nanjo, bi, če je delujoča, eksplodirala. V kvantni fiziki pa lahko izdelamo napravo, kjer detonator osvetlimo tako, da smo pred tem svetlobo poslali po dveh različnih poteh. Ko delca prideta do detonatorja, steče proces meritve. Zdaj nastopi »čudnost« kvantne mehanike, saj je možen rezultat, da je delec na mestu detonatorja ali pa v tistem drugem delu valovanja. Če je na mestu detonatorja, bodo bombe eksplodirale. V drugem primeru pa bo meritev opravljena, rezultat pa bo, da v resnici delec svetlobe ni na detonatorju in bomba ne bo eksplodirala. Hkrati pride do tako imenovanega kolapsa valovne funkcije, ko izvemo, kje je delec. Končni rezultat je, da z natančnostjo 25 odstotkov znamo odbrati delujoče bombe. Nekateri rečejo, da je to konceptualno težko sprejeti. Zato ti razlagajo v interpretaciji kvantne mehanike, da se v vsakem procesu meritve vesolje razdeli na dvoje. V enem vesolju se zgodi ena stvar, v drugem pa druga.

Res je težko doumeti kvantno mehaniko in vse njene »čudnosti«.

Ko se z njo ukvarjaš, stvari razumeš skozi enačbe in tako razvijaš intuicijo skozi matematiko. Potem se nekako skozi ta način gledanja malo nehaš čuditi. Ko nato znova preklopiš na to običajno, vsakodnevno intuicijo, ki jo razvijamo v svetu, v katerem živimo, pa so v kvantni mehaniki res nenavadna presenečenja.

Več kot desetletje sem se ukvarjal večinoma s teorijo, zadnja leta sem nekako vmes med teorijo in eksperimenti. Lepota tega področja je, da sta si teorija in eksperiment zelo blizu, kar ne velja za vsa področja fizike. Vesel bi bil oziroma želim si, da bi tudi v Ljubljani vzpostavili določene smeri, ki jih še nimamo, verjetno v sodelovanju s kakšnimi tujimi skupinami. Medtem ko pri nekaterih vejah fizike teoretična vprašanja ostajajo odprta zelo dolgo, ker eksperimenta z obstoječo tehnologijo niti ni mogoče opraviti, so v kvantni fiziki stvari videti dosegljive. Tu se zdi, da so problemi rešljivi, in to v razmeroma kratkem času, v obdobju petih let, enega desetletja.