Powstaje prototyp infrastruktury komputera kwantowego na bazie jonów wapnia

W ramach projektu MIKOK dofinansowanego z NCBR (56 mln zł) powstaje w Warszawie “modularna infrastruktura komputera kwantowego do specjalnych i wojskowych zastosowań informatycznych”. Konsorcjum, którego liderem jest Politechnika Warszawska, tworzą jeszcze: Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz firma Sonovero R&D sp. z o.o.

Wynikiem projektu ma być prototyp, a więc jeszcze nie wersja produkcyjna, infrastruktury komputera kwantowego na bazie pułapkowanych jonów wapnia Ca(40)+. Infrastruktura ma zostać uruchomiona pod koniec tego roku. Badacze przygotowują obecnie zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie do przeprowadzenia operacji kwantowych. W Polsce powstaje większość kluczowych elementów, w tym elektronika sterująca i oprogramowanie do optymalizacji obliczeń kwantowych.

Ważnym celem budowania od zera infrastruktury komputera kwantowego przez specjalistów w Warszawie jest – jak wymieniają - dogłębne poznanie tajników działania takiego systemu, nabycie unikalnych kompetencji praktycznych i tworzenie podwalin krajowej suwerenności technologicznej w tym strategicznym dla Polski obszarze.

"Chcemy nadążać za tym, co się dzieje na świecie, dlatego czynimy pierwszy kluczowy krok" - skomentował dla PAP dr inż. Zbigniew Wawrzyniak z Politechniki Warszawskiej.

JAK WYGLĄDA PROTOTYP

Pierwsza polska infrastruktura komputera kwantowego mieści się w jednym pomieszczeniu w CEZAMAT PW. W skład urządzenia wchodzą: pułapka jonowa, precyzyjne lasery do chłodzenia i zmiany stanów kwantowych uwięzionych jonów, systemy elektroniczne sterujące laserami i pułapką, a także zarządzający system komputerowy z oprogramowaniem dla użytkowników.

W sercu układu znajduje się pułapka jonowa opleciona przewodami. Wokół niej jest wiele urządzeń, które zmuszają jony „do pracy" i odczytują wyniki. To m.in. układy laserowe, optyka światłowodowa, elementy pomiarowe czy liczne układy optoelektroniczne, jak np. modulatory akustooptyczne czy elektrooptyczne. Wszystko to musi pracować jednocześnie i na tyle precyzyjnie, by wykonywać operacje na pojedynczych atomach.

“Jony musimy spułapkować, schłodzić, ustawić odpowiednio oddziaływaniem pola elektrycznego i zmusić je do pracy poprzez pobudzanie laserami” - tłumaczył dr Wawrzyniak. A potem jeszcze trzeba uzyskane stany kwantowe, jako wyniki obliczeń, zarejestrować i zinterpretować.

Dopiero ta infrastruktura sprzętowa ma być niezawodną podstawą, na której będzie można wykonywać algorytmy kwantowe.

“Jest wiele różnych technik wytwarzania kubitów. Zaletą jonów wapnia, które wybraliśmy w naszym projekcie, jest to, że są +doskonałe+, ponieważ poziomy energetyczne tego izotopu są dobrze zdefiniowane dla samego pierwiastka, a ich stany kwantowe udaje się dobrze kontrolować” - ocenił dr Wawrzyniak.

OBLICZE KWANTOWYCH OBLICZEŃ

Jak będą działać w polskiej aparaturze obliczenia kwantowe? Najcięższą pracę wykonują lasery o precyzyjnie dobranych długościach fali. Wpierw za pomocą impulsu światła laserowego atomy wapnia są ablacyjnie uwalniane z pastylki zawierającej kawałek wapnia. Następnie te uwolnione atomy są jonizowane i dzięki chłodzeniu laserowemu zostają uwięzione we wspólnej pułapce, osiągając temperaturę bliską temperatury zera bezwzględnego.

W wyniku oddziaływania z polami elektromagnetycznymi jony w pułapce tworzą jednowymiarowy kryształ – przypominający koraliki w naszyjniku. Aby zapisać w tych jonach informację, struktury te wzbudza się laserami. Pod wpływem dodanej energii jony przechodzić mogą ze stanu podstawowego do tzw. stanu wzbudzonego.

Kubity, czyli jednostki kwantowej informacji, są więc przechowywane w stabilnych stanach kwantowych każdego jonu. Jeśli wzbudzony jon oświetli się odpowiednim światłem lasera, wyemituje on foton, czyli „zaświeci się” (a niewzbudzony jon nie zaświeci). Stąd wiadomo czy w wyniku wcześniejszych operacji nastąpiło wzbudzenie, czy nie.

CO MOGĄ NASZE KUBITY

O ile stan zwykłego bitu w komputerze klasycznym może wynosić zero albo jeden, o tyle z kubitami sprawa jest bardziej zniuansowana. Stan kubitu może wynieść nie tylko 1 albo 0, ale może być w kombinacji (superpozycji) tych stanów. Dopuszczalna jest więc cała “sfera” prawdopodobieństw między stanami 0 a 1. Ze względu jednak na taki oparty na prawdopodobieństwach charakter stanów w kubitach, konieczne jest wielokrotne wykonywanie tego samego obliczenia, aby uzyskać statystycznie istotny wynik.

W dodatku poszczególne jony można za pomocą laserów kwantowo splątywać ze sobą, aby wspólnie „przetwarzały” zadane polecenia. Jeśli wie się, jak zrobić użytek z takich nieoczywistych własności kwantowych, daje to zupełnie nowe możliwości obliczeń.

W polskim prototypie infrastruktury komputera kwantowego docelowo ma być utworzonych 20 kubitów. Tyle samo będzie miał komputer kwantowy kupowany w Poznaniu przez PCSS (konsorcjum EuroQCS-Poland). Zgodność wynika z prostego faktu, że oba urządzenia wykorzystują technologię pułapki jonowej.

Gdyby kubity mogły zdziałać jedynie tyle, co zwykłe bity, to raczej nikt nie inwestowałby dziesiątek milionów złotych w tego typu rozwiązania. Klasyczny bit może być w jednym ze stanów 0 lub 1. Jeśli mamy więc 20 bitów, to do dyspozycji dostajemy ponad milion różnych kombinacji stanów (2 do potęgi 20) do przeanalizowania. Natomiast 20 kubitów może tak jakby reprezentować wszystkie te stany jednocześnie i dla nich wykonywać zadany kwantowy algorytm.

Główną zaletą komputerów kwantowych jest więc to, że dane przetwarza się tam w zupełnie inny sposób. Dzięki temu mogą rozwiązywać zadania, na które największe superkomputery klasyczne potrzebowałyby wielu lat pracy.

BRAMKA DO RAJU

W komputerach kwantowych obliczenia wykonuje się dzięki bramkom kwantowym. Zadaniem bramki jest zmienić wartość kubitu w zależności od wyniku zadania. Bramka w tym przypadku to jednak nie fizyczny obiekt, przez który przepuszcza się jony, ale układ jonów o odpowiednich ustawionych laserowo stanach kwantowych.

Bramki kwantowe pozwalają na wykonanie innego rodzaju operacji niż bramki logiczne stosowane w tradycyjnych komputerach.

Polski zespół osiągnął już w ramach projektu kamień milowy, tworząc pierwsze w tej części Europy łańcuchy schłodzonych laserowo jonów jako kluczowy element w budowie bramek kwantowych.

W badawczych instalacjach nie chodzi jednak jeszcze o to, by liczyć coś, co jest niepoliczalne i łamać najbardziej zaawansowane zabezpieczenia, ale by poznawać możliwości nowych systemów, bo nie wiadomo, jak postęp w ich działaniu usprawnić może nasze życia (jeśli zrobimy z nich dobry użytek), albo jak bardzo mogą nam zaszkodzić (jeśli trafią w niepowołane ręce).

Aby osiągnąć supremację kwantową, a więc dzięki komputerom kwantowym przewyższyć możliwości obliczeniowe klasycznych superkomputerów, droga jest jeszcze na razie w Polsce, jak i na świecie daleka.

Dr Wawrzyniak tłumaczył, że wciąż jeszcze mamy szansę na suwerenność kwantową i adaptowanie rozwiązań w oparciu o najnowsze odkrycia naukowe czy technologiczne. A to przygotuje w Polsce silne zaplecze specjalistów, którzy będą w stanie posługiwać się tym sprzętem, nadzorować prawidłowe jego działanie i doglądać jego działania.

"Musimy rozwijać techniki kwantowe, bo mamy ku temu potencjał" - dodaje. "Jesteśmy w stanie podciągnąć się bardzo w tej technologii, ponieważ wypracowaliśmy rozwiązania, które są na poziomie światowym. Trzeba także wykorzystać tę szansę, jeśli chcemy nadążać za tym, co się dzieje na świecie” - podsumował dr Wawrzyniak.

WYMIERNE KORZYŚCI Z CERN-U

“Osiągnęliśmy wysokie umiejętności w projektowaniu superszybkich układów i systemów elektronicznych o nanosekundowej precyzji czasowej. Są one stosowane w układach sterowania w trzech infrastrukturach komputerów kwantowych na świecie” - wymienił dr Wawrzyniak. I dodał, że te unikalne doświadczenie polscy badacze zdobyli m.in. w CERN przy budowie Wielkiego Zderzacza Hadronów. “Elektronicy wspierali tam fizyków eksperymentalnych, tworząc układy sterowania do eksperymentów związanych z technologiami jądrowymi. To są bardzo zbliżone, a niejednokrotnie dokładnie te same układy" – wyjaśnił dr Wawrzyniak.

Ludwika Tomala (PAP)

lt/ bar/ amac/