|
Šriodingerio katinų dresiravimas Superlaidumas atrastas daugiau nei prieš 100 m., tačiau tik po pusės amžiaus sukurta šio reiškinio teorija. Paaiškėjo, kad jo prigimtis kvantinė elektronai metale šiek tiek traukia vienas kitą, nors turėtų stumti. Apytiksliai tai galėtų būti paaiškinta taip: metalas tai kristalinė gardelė iš teigiamų jonų, kurioje laisvai juda laidumo elektronai. Skriejantis elektronai traukia jonus, tačiau jonai masyvūs: elektronas jau nuskriejo, o jonai vis dar juda į ten, kur elektrono jau nėra. Susidaro nežymus lokalus teigiamo krūvio perteklius ir prie jo pritraukiamas koks nors kitas elektronas. Tai atrodo, kad tarsi jį pritraukė kitas elektronas. Jei tasai silpnas elektronų pritraukimas vis tik tampa gana stipriu, tai sumažinus temperatūrą sistema kažkuriuo momentu praranda stabilumą ir šuoliu pereina į superlaidumo būseną, kurioje dalis elektronų sudaro Kuperio poras (t.y. abu veikiančius kaip viena dalelė). Tačiau tai įvyksta gana žemoje temperatūroje, pvz., niobyje esant 9,2oK, o aliuminyje 1,19oK (šiedu metalai dažnai panaudojami gaminant kubitus - aliumininius paprasčiau gaminti, tačiau niobio ilgaamžiškesni). Tačiau tie elektronai nėra greta vienas kito, o ir juda priešingomis kryptimis (nelengva įsivaizduoti, ar ne? be matematikos čia neišsiversi). Tačiau dar svarbiau, kad tokios elektronų poros pajėgios padaryti tai, kas pavieniams elektronams neįmanoma dėl kvantinės mechanikos subtilybių. Yra du kvantinių dalelių tipai: fermionai su pusiau sveika spino reikšme (1/2, 3/2, ...) ir bozonai su sveika (0, 1, 2, ...). Pagrindiniu jų skirtumu yra tai, kad toje pačioje kvantinėje būsenoje gali būti kiek nori bizonų, o štai net dviejų fermionų į tą pačią būseną suginti nepavyksta. O elektronai ir yra fermionai su 1/2 spinu. Būtent todėl elektros srovė metale susiduria su varža (labai supaprastintai aiškinant, du elektronai negali vienu metu prašokti pro tą patį tarpą tarp jonų). O štai superlaidžioje būsenoje du elektronai Kuperio jau elgiasi kaip bozonai, nes jų bendras spinas lygus 0 (1/2-1/2) ir jie gali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje tai vadinama kvantiniu kondensatu, aprašomu vienu kompleksiniu skaičiumi, priklausančiu nuo koordinatės (laipsnio parametru). Ir vienu pretendentu kubitams (kvantiniams bitams) tapo sistemos su Džozefsono
jungtimis. Pirma, jas jau mokėta gaminti dideliais kiekiais ir norimų savybių. Antra, tie kubitai ne mikroskopiniai (t.y. ne atomarinių dydžių, t.y.
įprastas tokio kubito dydis yra dešimtys mikronų). Tad pagaminti kelis superlaidininkinius kubitus ir juos valdančius elektrodus prijungti reikiamose
Padėjo ir dar viena aplinkybė. 9-o dešimtm. pradžiai fizikai rimtai susidomėjo klausimu, ar galima kvantinius efektus stebėti makroskopinėse sistemose. Ir nors superlaidumo kvantinės prigimties išsiaiškinimas lyg ir atsakė teigiamai, tačiau reikalas buvo sudėtingesnis. Buvęs britų (o vėliau amerikiečių) mokslininkas E. Legetas1) nurodė, kad, iš esmės, superlaidininko būsena vis dar tebėra klasikine t.y. joje nepasireiškia būdingos mikroskopinėms sistemoms savybės, tokios, kaip kvantinė superpozicija (buvimas dviejose skirtingose būsenose vienu metu) arba kvantinis tuneliavimas. Pvz., superlaidžiame žiede galima sužadinti superlaidžią srovę, tačiau ji tekės palei arba prieš laikrodžio rodyklę, bet jokiu būdu ne abiem kryptimis vienu metu. Džozefsono kontakte Kuperio poros tuneliuoja per tunelinį barjerą tačiau tik tai per kartą paliečia tik vieną Kuperio porą, t.y. tik du elektronus. Kvantinių efektų demonstracijai makroskopiniu masteiu to aiškiai per maža. Vis tik pats kvantinio kondensato susijusio su makroskopiniu dydžiu (elektros srove) suteikė viltį. E. Legetas sukūrė makroskopinio kvantinio tuneliavimo superlaidininkuose teoriją (2003 m. Nobelio premija) ir padarė išvadą, kad jis galimas, nors jį stebėti labai sunku dėl stiprių trikdžių tuo gausesnių, kuo labiau makroskopinė sistema. Ir 20 a. pabaigoje pasirodė net trys skirtingi superlaidininkinių kubitų tipai: krūvio (charge) ir du srautų (flux). Krūvio kubitas yra, iš esmės, submikroninio dydžio superlaidininko salelė, tuneliniais barjerais atskirtas nuo
superlaidžių elektrodų, jungiančių su likusia grandinės dalimi (srovės šaltiniais ir matavimo prietaisais). Tuneliavimas per
barjerus neturi būti labai lengvas jų elektrinė varža turi gerokai viršyti vadinamąją kvantinę varžą: Greta salelės randasi dar vienas, visiškai izoliuotas nuo jos elektrodas, kuriuo galima paduoti įtampą ir taip pakeisti elektrostatinį salelės potencialą. Visa tai gaminama iš aliuminio ar niobio ant izoliuojančios plokštelės ir talpinama į kriostatą, palaikančiame temperatūrą vos kelias šimtąsias laipsnio dalis virš absoliutaus nulio. Kadangi salelė smulkutė, krūvio kubito talpa maža, tad vos vienos papildomos Kuperio poros pridėjimas į ją pastebimai pakeičia salelės elektrostatinę energiją. Tad kol viena tokia pora jos nepaliko, kita į ten nutuneliuoti negali, o trečia tuo labiau. Taigi toji salelė gali veikti kaip įprastinis bitas - joje yra (1) ar nėra (0) papildoma Kuperio pora. Tačiau, kas svarbiausia, galima sukurti ir tų būsenų kvantinę superpoziciją. Keičiant įtampą papildomame elektrode keičiam ir būsenų 0 ir 1 būsenų energijas. Norint nuskaityti kubito būseną, reikia sumažinti vieno iš prievadinių elektronų potencialą tada, jei salelėje yra papildoma Kuperio pora, tai ji ištekės per tunelinį barjerą, o tą srovės padidėjimą grandinėje galima užregistruoti. Dėl jau išvystytų technologijų, nėra principinių kliūčių kubitų kiekiui sistemoje (pvz., norint išmatuoti, reikia elektronui paduoti trumpą ir stiprų impulsą trumpesnį už nanosekundę ir tiksliai nustatytu laiko momentu; kitaip bubito būsena spės pasikeisti!). Taigi krūvio kubitas tenkina DiVinčenco kriterijus. Pirmąkart krūvio kubitas buvo sukurtas Japonijoje -1999 m. balandį Jasunobu Nakamura2), Jurijus Paškinas3) ir Čžao-Šen Cai4) apie tai paskelbė straipsnį Nature žurnale, kuriame pranešė apie savaimines osciliacijas tarp 0 ir 1, kurios yra vienu iš būdingų sistemos kvantinės elgsenos požymių (t.y., kad kubitas tikrai yra dviejų būsenų superpozicijoje kaip ir tinka būti Šriodingerio katei). Kol kas toji smulki katytė, vos vienos Kuperio poros dydžio, nors ir tupinti gana didelėje dėžėje tačiau po metų pateiktos stambesnės katės tik jau srautų kubitų pavidalu. Iš superlaidininko pagaminus pakankamai masyvų žiedą ir jame sukėlus elektros srovę, ji jame cirkuliuos nepaprastai ilgai, o kartu kurs magnetinį lauką. Tas srautas yra kvantuojama, t.y. gali priimti tik sveiką srauto kvantų kiekį. Tas magnetinio srauto kvantas labai mažas, tačiau jis išreiškiamas per fundamentalias fizikines konstantas. Jei superlaidininkinį žiedą pertrauksime Džozefsono kontaktu, tai per jį bus galima praleisti bet kurį išorinį magnetinį srautą. Tačiau tada žiedu pradės tekėti superlaidi srovė tokia kryptimi, kad sukurtas bendras magnetinis srautas būtų kuo artimesnis sveikam kvantų skaičiui nes tada mažesnė sistemos energija. Tad nuo išorinio lauko dydžio vieno jo kvanto atžvilgiu, priklauso srauto kryptis. Toks jautrumas ir leido sukurti prietaisus labai silpnų magnetinių laukų matavimui (SQUID), pvz., smegenų sukeliamus magnetinius laukus. O kas bus, jei išorinis srautas lygus pusei kvanto? Tada esant bet kuriai srovės krypčiai bendras magnetinis laukas bus vienodai artimas sveikam kvantų skaičiui. Abiejų būsenų energijos bus vienodos sakoma, kad šios būsenos išsigimusios. Jas ir galima kaip 0 ir 1 būsenas. Maždaug prieš 40 m. buvo bandoma remiantis šiuo principu sukurti klasikinį petaflopinį kompiuterį (t.y. vykdantį 1015 op/sek.), tačiau spartus įprastinių puslaidininkinių lustų tobulinimas parodė, kad tas projektas nereikalingas. Kas kita kvantinis kompiuteris. Pasirodė, kad pakankamai mažame žiede esant labai žemai temperatūrai įmanomas koherentinis kvantinis tuneliavimas tarp tų būsenų t.y. ne tik perėjimą tarp 0 ir 1, bet ir tų būsenų kvantinių superpozicijų atsiradimą, - ir ne vienos Kuperio poros, o bent milijonų tokių porų, dėl ko superlaidi srovė įsigudrina tekėti vienu metu ir palei ir prieš laikrodžio rodyklę. Ir tai nors dar ir ne makroskopinė, bet ir jau ne visai mikroskopinė Šriodingerio katė. 2000 m. liepą Dž. Liukenso5) grupė iš Niujorko un-to paskelbė straipsnį Makroskopinių būsenų kvantinė superpozicija apie superlaidžiame žiede su vienu Džozefsono kontaktu stebėtą kelių mikroamperų srovė abiem kryptimis vienu metu. O jau spalį Science žurnale H. Mojojo6) vadovaujama grupė iš Delftų technologinio ins-to pranešė apie tokį pat efektą žiede su trimis kontaktais, kas turi privalumą, nes dydžiai ir kilpos induktyvumas gali būti gerokai mažesni, o tai mažina išorinių triukšmų kiekį ir padeda išlaikyti kvantines koreliacijas.. Tiesą sakant, 21 a. pradžioje superlaidininkinė Šriodingerio katė iššoko iš dėžės. Netrukus buvo sumąstyta daug įvairiausių kvantinių bitų versijų. 3- (ar 4-) kontaktinis srautinis kubitas, paprastas ir patikimas, ir toliau lieka darbiniu arkliuku, tačiau populiarėja vadinamasis transmonas (savotiškas srauto ir krūvio kubitų mišinys). O ir superlaidininkinių kubitų kokybė sparčiai gerėjo. Tačiau realaus uždavinio sprendimui reikia bent tūkstančių kubitų o čia jau kyla rimtų problemų. Mat kuo daugiau kubitų, tuo makroskopiškesnė sistema. Kubitų neįmanoma visiškai izoliuoti, tad jų kvantinės būsenos neišvengiamai pradeda maišytis tiek tarpusavyje, tiek su terpe. Visa tai mažina sistemos dehogerentiškumo trukmę. Kita vertus, vykdant algoritmus kubitai turi sąveikauti tiksliai nustatytais momentais ir griežtai nustatyta jėga. Tai įmanoma per magnetinio srauto keitimą per tarpines kilpas su Džozefsono kontaktais. Tačiau tai reiškia, kad sistemoje atsiranda nauji elementai, naujos grandinės, papildomos srovės sistema vis plečiasi, o jos kvantinės būsenos dar jautresnės. O galiausiai būtinas ypatingas operacijų su kubitais tikslumas. Apsaugai nuo neišvengiamų klaidų vieno loginio kubito būseną tenka koduoti kelių fizinių kubitų būsenomis ir su jais atlikti papildomas manipuliacijas. O tai dar labiau plečia sistemą. Be to atsiranda dar viena problema galimybių plyšys (capacity gap). Efektyviai apskaičiuoti pakankamai didelių sistemų kvantinį-koherentinį elgesį klasikinių kompiuterių pagalba neįmanoma kitaip nereikėjo ir prasidėti su kvantiniais kompiuteriais. Deja, pasirodė, kad kvantiniai kompiuteriai, gebantys apskaičiuoti kitų kvantinių kompiuterių elgesį jau gana dideli, o tai reiškia, kad sukurti gana didelę sistemą iš kelių tūkstančių kubitų jau įmanoma, o štai nuspėti, kaip ji elgsis, dar ne. ir kas blogiausia, jei ji pasielgs ne taip, kai norėta, nebus žinoma, ką joje reikia keisti ir kuria kryptimi. O tai veda prie liūdnų minčių... Ar vertėjo mesti laiką, pastangas ir pinigus į kvantines technologijas?! Tuo tarpu valstybinėms programoms skiriama milijardai dolerių, o Google, Microsoft ir IBM vaikosi kvantinio pranašumo (quantum supremacy), t.y. ieško uždavinių, kuriuos net primityvus kvantinis kompiuteris ir keliasdešimt kubitų gali spęsti nepalyginamai sparčiau už klasikinį kompiuterį; universitetai siūlo kvantinių skaičiavimų kursus, leidžiami vadovėliai, o įvairiausi kvantiniai startuoliai dygsta lyg grybai po lietaus. Tačiau nereikia stačia galva pulti į pesimizmą. Vienu nemaloniausių reikalavimų tiksliai laiku manipuliuoti kubitų būsenomis, tad didelį susidomėjimą sukėlė Edvardo Farchio7),
Semo Gutmano (iš Bosto Šiaurės rytų un-to), Džefrio Goldstouno8) ir Maiklo Sipserio9) straipsnis apie
Aišku, iš anksto nežinom, kaip atrodo toji pagrindinė sistemos būsena. Tiesiog atvėsinti sistemą (annealing) ir laukti, kol būsena nusistovės netinka (tai gali trukti nepakenčiamai ilgai). Tačiau galima iš pradžių taip suderinti kubitų sistemą, kad jos pagrindinė būsena pasiekiama greitai, o vėliau lėtai (adiabatiškai) keisti nustatymus, kad galiausiai ryšiai tarp kubitų taptų tokiais, kokių norėjom iš pradžių. Kvantinėje mechanikoje yra adiabatyvinė teorema, pagal kurią, jei kvantinė sistema randasi savo pagrindinėje būsenoje, o vėliau jos savybės lėtai keičiamos, tai, kaip taisyklė, ji ir liks savo pagrindinėje būsenoje. Taigi, adiabatyvinis kvantinis kompiuteris gali, iš principo, spręsti bet kurį uždavinį, įveikiamą įprastiniam kvantiniam kompiuteriui tik prireiks daugiau kubitų (tiek kartų, kiek yra algoritme). Tačiau daugiau nereikia skaičiavimų metu kubitams siųsti labai tiksliai nukreipiamų impulsų ir keisti jų tarpusavio sąveikos jėgos. O ir papildomų kubitų, skirtų klaidų taisymui, irgi nereikia. Tai, suprantama, labai idealizuotas vaizdas - adiabatyvinis kvantinis kompiuteris vis dar per sudėtingas šiuolaikiniam technikos lygiui. Tam reikia užtikrinti pernelyg sudėtingus ryšius tarp kubitų, o dėl triukšmų ir dėl to, kad negalime labai ilgai laukti sprendinio, kompiuteris gali iššokti iš savo pagrindinės būsenos ir pateikti neteisingą rezultatą. Tačiau yra labai svarbi uždavinių klasė, kuriai pakanka paprastos kvantinio kompiuterio klasės kvantinio optimizatoriaus (quantum annealer), pvz., komivojažerio uždavinys (rasti trumpiausią maršrutą bent kartą aplankant visus reikiamus miestus) jo sprendimui pakanka, kad adiabatyviniame kompiuteryje būtų susieti tik kai kurie kubitai. Be to, maršruto ilgis proporcingas sistemos energijai taigi, jei kompiuteris atsidurs ne pagrindinėje, o artimoje jai būsenoje, gausime gerą sprendinio priartėjimą. Ir būtent tokiu kukliu keliu nuėjo pirmoji (nuo 1999 m.) komercinė kvantinių kompiuterių kompanija D-Wave Systems, pradžioje norėjusi panaudoti neįprastas superlaidininkų aukštose temperatūrose savybes kai nereikia magnetinio lauko. Tačiau tokių kubitų pagaminimo sunkumai ir kiti trūkumai buvo per dideli ir buvo pereita prie aliuminio ir niobio. Pradiniame etape kompanija bendradarbiavo su JAV, Kanados ir Europos tyrimų centrais. Daug prisidėjo buvę rusų fizikai. 2010 m. ji pagamino pirmą adiabatyvinį kompiuterį su 128 kubitais (apie tai paskelbtas straipsnis Nature žurnale). Tačiau iš horizonto neišnyksta pilki debesys. Dar reikia sugalvoti, kaip neturint universalaus kvantinio kompiuterio konstruoti ir išbandyti dideles kvantines sistemas, kurių iš principo neįmanoma paskaičiuoti klasikinėmis sistemomis. Be to, nereikia puoselėti ypatingų vilčių dėl kvantinių skaičiavimų sprendžiant pasaulines problemas ir kelti sensacijų šurmulį aplink kvantines technologijas tai tik trukdo racionaliam pastangų paskirstymui. Ir dar visai neaišku, kad mums žinoma kvantinė mechanika veiks bet kokio dydžio masteliais. Kol kas tokių požymių dar nepastebėta, tačiau nėra jokių garantijų, kad kada nors nosimi neįsibesime į kokį nors principinį barjerą, esantį tarp kvantinio ir klasikinio pasaulių. Skaitykite pradžią >>>> Trumpos biografijos: 1) Entonis Legetas (Anthony James Leggett, g. 1938 m.) anglų kilmės amerikiečių fizikas teoretikas, iškilus žemų temperatūrų teorijos specialistas, Nobelio premijos laureatas (2003). Savo darbais pagrindė kvantinę makroskopinių disipatyvių sistemų fiziką ir kondensuotų sistemų panaudojimą kvantinės mechanikos pagrindų patikrinimui. Suteikė teorinę sampratą apie įprastino ir supertakaus helio bei stipriai susijusių supertakių skysčių elgseną. JAV darbuojasi nuo 1982 m., o taip pat dirbo Kvantinių skaičiavimų institute Kanadoje (2006-16). 2016 m. pasirašė laišką, adresuotą Greenpeace, JTO ir šalių vyriausybėms, raginantį nutraukti kovą prieš GMO. 2) Yasunobu Nakamura (g. 1968 m.) japonų fizikas, Tokijo un-to Pažangaus mokslo ir technologijų inst-to profesorius, daugiausia prisidėjęs prie kvantinės informatikos, atskiru atveju superlaidžių kvantinių skaičiavimų ir hibridinių kvantinių sistemų. 2001-2002 m. lankėsi Delfto Technologijų un-te, kur su H. Mojojo grupe kūrė pirmąjį fliuksinį kubitą. Nuo 2016 m. dirba Japonijos Makroskopinių kvantinių mašinų projekte, kuriuo siekiama žymiai patobulinti kvantinių skaičiavimų technologijas. 3) Jurijus Paškinas (g. 1960 m.) rusų fizikas, Lankasterio un-to profesorius (nuo 2011 m.). Jo tyrimo sritys yra kvantiniai skaičiavimai superlaidžiomis nanoschemomis, kvantinė metrologija ir pan. 1997-2012 m. buvo NEC Tyrimų centro mokslininku, kur atlikinėjo bandymus su Kolombo įtaisais, kietos būsenos kvantiniais skaičiavimais ir nanoelektromechaninėmis sistemomis. 4) Čžao-Šen Cai (Jaw-Shen Tsai, g. 1952 m.) Taivano fizikas, Tokijo Mokslo un-to profesorius. Jis prisidėjo prie kondensuotos materujos fizikos vystymo ir jos taikymų. Paskutiniais metais rengė eksperimentus su kvantine koherencija Džosefsono sistemose. 5) Džimsas Liukensas (James Edgar Lukens) amerikiečių fizikas teoretikas, Niujorko Stony Brook un-to profesorius (nuo 1971 m.). Universitete įsteigė Žemų temperatūrų tyrimų laboratoriją; domėjosi makroskopiniais kvantiniais reiškiniais ir ypač Džozefsono efektu. 1983 m. jo grupė nepaprastu tikslumu patikrino esminį ryšį tarp Džozefsono spinduliuotės dažnio ir įtampos. 1985 m. jie buvo pirmoji komanda, gavusi patikimų kiekybinių duomenų apie disipatyvios aplinkos poveikį makroskopiniam kvantiniam tuneliui. 2000 m. paskelbė apie eksperimentiškai stebėtą kvantinę koherenciją makroskopinėje sistemoje. 6) Hansas Mojojus (Hans J.E. Mooij, g. 1941 m.) olandų fizikas, Defto un-to profesorius (nuo 1971 m. iki 2006 m.). Jo pagrindiniai tyrimai susiję su nanostruktūrų fizika, superlaidžiais nanoįtaisais ir kvantine informatika. Kvantiniais kompiuteriais susidomėjo 1996 m. 2000 m. jo grupė paskelbė straipsnį apie sukurtą fliuksinį kubitą su trimis Džozefsono jungtimis. 7) Edvardas Farchis (Edward Farhi, g. 1952 m.) amerikiečių fizikas teoretikas, MIT profesorius ir MIT Teorinės fizikos centro direktorius (2004-16), dirbantis el. dalelių teorijos, bendrosios reliatyvumo teorijos, kvantinės informatikos ir kosmologijos srityse. 1964 m. kartu su R. Jafe ištyrė labai tankios keistos kvantinės materijos savybes ir galimybę susidaryti žvaigždėms iš tokios materijos (keistoms žvaigždėms). 1987 m. kartu su A. Gutu parodė, kad naujų visatų susidarymas iš netikro vakuumo burbulo reikalauja pradinio singuliarumo, kas yra neįveikiama kliūtimi. Taip pat su A. Gutu ir Š.M. Kerolu nurodė kliūtį laiko mašinų galimybei. 8) Džefris Goldstounas (Jeffrey Goldstone, g. 1933 m.) britų fizikas teoretikas, MIT profesorius (nuo 1977 m.). Darbai iš kvantinės lauko teorijos, el. dalelių teorijos, matematinės fizikos. Atliko Feinmano diagramų modifikacijas nereliatyvistinėms daugiafermioninėms sistemoms (Goldstouno diagramos). 1961 m. iškėlė spontaninio simetrijos pažeidimo idėją, įvedė hipotetinę dalelę be masės (Goldstouno bozoną). Nuo 1997 m. dirba su kvantinio skaičiavimo algoritmams. 9) Maiklas Sipseris (Michael Fredric Sipser, g. 1954 m.) amerikiečių kompiuterių teoretikas, MIT profesorius, žinomas indėliu į skaičiavimų sudėtingumo teoriją. Kvantinių skaičiavimų srityje įvedė adiabatinį algoritmą. Jau senai domisi N-NP problema ir 1975 m. sukirto rankomis iš uncijos aukso su L. Adlemanu, kad problema bus išspręsta 20 a. ir 2000 m. L. Adlemanui pasiuntė JAV Auksinio erelio monetą. Taip pat skaitykite: |
izoliacinėje plokštelėje buvo sunkiu, bet įveikiamu uždaviniu. Ir skirtingai nuo 
adiabatinį kvantinį kompiuterį. Akimirkai įsivaizduokime , kad galima užfiksuoti sąveikas tarp kubitų taip, pagrindinėje
sistemos būsenoje (t.y. būsenoje su mažiausia energija) bus užkoduotas sprendžiamo uždavimo sprendinys (kaip tai padaryti jau kitas klausimas).
Tai va minėtų autorių pasiekimu ir buvo įrodymas, kad tai įmanoma bet kuriam uždaviniui, išsprendžiamam universaliu kvantiniu kompiuteriu.