Kiedy mówi się o komputerach kwantowych, zwykle padają wielkie słowa: postęp, przełom, przewaga nad klasycznymi maszynami. Jednak problem jest bardziej prozaiczny – nawet jeśli kubit sam w sobie działa szybko, to nie potrafi utrzymać informacji na tyle długo, by dało się ją sensownie wykorzystać. Właśnie w tę niszę wszedł zespół z Caltech, proponując pamięć kwantową opartą nie na świetle czy polu elektromagnetycznym, ale na… dźwięku.
To rozwiązanie wydaje się absurdalne, bo fizyka uczy nas, że im wolniej przenosi się sygnał, tym mniej użyteczny jest w obliczeniach. A jednak właśnie akustyczna powolność staje się tu istotnym atutem – pozwala uwięzić dane i zatrzymać je tam, gdzie fotony dawno by już dały sobie spokój.
Superprzewodzące kubity, podstawowe cegiełki wielu dzisiejszych prototypów, pracują w domenie mikrofal. Ich moc tkwi w superpozycji – możliwości bycia i zerem i jedynką: jednocześnie. To otwiera drzwi do obliczeń, których tradycyjny komputer nigdy nie uciągnie, bo nie jest "za głupi", tylko po prostu nie ma narzędzi do tego, by je rozwiązać. Tyle że taka superpozycja rozpada się w ułamku sekundy. Trzeba więc znaleźć mechanizm, który podtrzyma stan kwantowy dłużej niż nam trzeba. Bez tego komputer kwantowy będzie tylko dla nas tylko ozdobą w laboratoriach.
Badacze pod kierunkiem Mohammada Mirhosseiniego poszli w stronę "fononów" – kwantów drgań mechanicznych. Na chipie umieścili nadprzewodzący kubit połączony z miniaturowym oscylatorem mechanicznym, przypominającym mikroskopijny kamerton. Naładowane elektrody sprawiają, że płyty oscylatora wibrują z częstotliwością gigaherców i mogą przechowywać informację w postaci drgań. Potem – na żądanie – oddają ją z powrotem do kubitu. Różnica? Czas życia danych wzrósł trzydziestokrotnie w stosunku do najlepszych kubitów dostępnych dziś w laboratoriach. Mowa o 25 milisekundach – w świecie kwantów to już cała wieczność. Tylko na pozór te milisekundy mogą brzmieć jak nic, ale w praktyce oznaczają możliwość wykonania setek dodatkowych operacji, zanim system straci spójność.
Foton w zakresie mikrofal biegnie błyskawicznie, ale też szybko nam ucieka w przestrzeń, rozpraszając energię i wprowadzając zakłócenia. Fonon jest wolniejszy i przywiązany do struktury. Energia zostaje w urządzeniu, a wpływ sąsiadujących komponentów maleje. Co więcej, na jednym chipie da się zintegrować wiele takich oscylatorów, tworząc modułowe pamięci gotowe do ich wyskalowania. To przypomina architekturę klasycznych komputerów – procesor wykonuje obliczenia, a RAM przechowuje dane. Tutaj rolę RAM-u przejmują oscylatory mechaniczne, a procesorem pozostaje układ nadprzewodzących kubitów.
Sam dłuższy czas przechowywania to nie wszystko – dane trzeba jeszcze chronić przed "rozpływaniem się". Zespół zastosował sekwencję dwóch impulsów dynamical decoupling, która wydłużyła spójność oscylatora z 64 mikrosekund do 1 milisekundy. To nadal mniej niż wspomniane 25 ms, ale daje realną kontrolę nad procesem zaniku informacji. Innymi słowy: nie tylko udało się zatrzymać dane, ale i zapanować nad ich rozpadem. System nie tylko jest w stanie poczekać, ale i zachować użyteczną jakość sygnału, co przybliża go do realnych zastosowań w architekturze kwantowej.
Barierą pozostaje szybkość zapisu i odczytu. Dziś interakcja między kubitem a oscylatorem jest zbyt wolna, by można było mówić o natychmiastowym dostępie. Wyzwanie polega na zwiększeniu tempa wymiany danych trzy- do dziesięciokrotnie. Badacze twierdzą, że to osiągalne. A kiedy to się uda, takie hybrydowe układy – łączące mikrofalowe fotony z fononami – staną się realną infrastrukturą dla komputerów kwantowych, sensorów i sieci komunikacyjnych.
Można też wyobrazić sobie scenariusze, w których pamięci mechaniczne łączą się z optycznymi, tworząc wielowarstwowe systemy przypominające hierarchię pamięci w klasycznej informatyce – od szybkiej pamięci podręcznej po wolniejsze, ale pojemniejsze magazyny.
Idea wykorzystywania drgań mechanicznych w obwodach nadprzewodzących nie jest nowa. Wcześniejsze badania pokazały, że fonony potrafią "dogadać się" z fotonami na mikrofalach. Problemem była jednak krótka żywotność i trudności w integracji materiałów piezoelektrycznych. Caltech pokazuje, że da się to przełamać, a drgania mechaniczne mogą działać w temperaturach bliskich zera absolutnego, zachowując spójność wystarczająco długo, by pełnić rolę pamięci.
Dodajmy, że takie temperatury – rzędu kilku milikelwinów – wymagają kosztownej infrastruktury kriogenicznej, co dziś pozostaje jednym z największych hamulców rozwoju całej branży. Ale jeśli i tak buduje się laboratoria dla kubitów, dodatkowy komponent mechaniczny nie zwiększa znacząco kosztów.
Czytaj również: MIT fotografuje „wolne” atomy – niezwykły przełom w fizyce kwantowej
Dłuższa pamięć oznacza, że kwantowy procesor może wstrzymać obliczenia, zapisać wynik pośredni i wrócić do niego bez ryzyka utraty danych. W kwantowej komunikacji można w ten sposób przechować informację w oczekiwaniu na przesył. W sensorach – poprawić precyzję, bo sygnał nie znika tak szybko. Wszystko to otwiera drogę do systemów, które nie tylko liczą szybko, ale i pamiętają efekt swojej pracy wystarczająco długo, by wynik miał sens w ujęciu jego wykorzystania. Jeśli technologia zostanie doszlifowana, może stać się brakującym ogniwem: elementem, który pozwoli połączyć brutalną moc obliczeń kwantowych z ich praktyczną użytecznością.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
