Osiągnięcie pełnej użyteczności przez systemy kwantowe wymaga rozwiązania problemu, który od dekad spędza sen z powiek fizykom i inżynierom. Chodzi o tak zwaną dekoherencję, czyli utratę stanów kwantowych przez nośniki informacji, jakimi są kubity. Aby zrozumieć, dlaczego stabilność tych jednostek stanowi warunek konieczny do wyjścia technologii poza mury laboratorów, należy przyjrzeć się naturze samej materii w skali mikro. Komputery klasyczne operują na tranzystorach, które są niezwykle odporne na zakłócenia zewnętrzne. W świecie kwantowym sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Każde drganie cieplne, promieniowanie elektromagnetyczne, a nawet najmniejsza fluktuacja pola magnetycznego może spowodować, że kubit przestanie pełnić swoją funkcję, zamieniając precyzyjny algorytm w bezużyteczny szum informacyjny.
Istota kruchości stanów kwantowych
Kubit, w przeciwieństwie do bitu, nie jest fizycznym przełącznikiem o dwóch położeniach. To raczej układ fizyczny – taki jak spin elektronu, polaryzacja fotonu czy stan energetyczny jonu – który wykorzystuje zjawisko superpozycji. Stabilność takiego układu zależy od izolacji od otoczenia. Problem polega na tym, że całkowita izolacja jest niemożliwa, ponieważ musimy mieć sposób, aby z tymi kubitami oddziaływać: zapisywać w nich dane i odczytywać wyniki. To rodzi fundamentalny konflikt konstrukcyjny. Im łatwiej sterować kubitem, tym bardziej jest on podatny na zakłócenia zewnętrzne. Stabilność staje się więc wypadkową precyzyjnej kontroli i niemal doskonałej ochrony przed wpływem świata zewnętrznego.
Dekoherencja nie jest błędem w oprogramowaniu, lecz cechą fizyczną. Czas koherencji, czyli okres, w którym kubit utrzymuje swoje właściwości, jest mierzony w mikrosekundach lub milisekundach. Dla porównania, wykonanie operacji logicznej zajmuje określony czas. Jeśli czas operacji zbliża się do czasu koherencji, prawdopodobieństwo błędu staje się zbyt wysokie, by jakiekolwiek obliczenia miały sens. Komercjalizacja wymaga, aby te czasy zostały drastycznie wydłużone lub aby metody korygowania błędów stały się na tyle sprawne, by nadrabiać naturalne niedoskonałości sprzętu. Bez tego komputery te pozostaną jedynie ciekawostką naukową, zdolną do wykonywania bardzo krótkich demonstracyjnych algorytmów, ale niezdolną do rozwiązania problemów optymalizacyjnych czy symulacji materiałowych.
Droga od surowych kubitów do jednostek logicznych
Współczesne konstrukcje opierają się na tzw. „surowych” kubitach fizycznych. Aby jednak uzyskać maszynę, która realnie wyprzedzi superkomputery w praktycznych zastosowaniach, potrzebujemy kubitów logicznych. Kubit logiczny to abstrakcyjna jednostka informacji, która składa się z wielu kubitów fizycznych połączonych za pomocą kodów korekcyjnych. Mechanizm ten przypomina nieco stosowanie sum kontrolnych w tradycyjnych przesyłach danych, jednak w fizyce kwantowej sprawa jest trudniejsza ze względu na zakaz klonowania informacji kwantowej. Nie można po prostu zrobić kopii zapasowej stanu kubitu.
Stabilność osiągana poprzez redundancję wymaga ogromnego nakładu zasobów. Jeśli stabilność pojedynczego fizycznego nośnika jest niska, potrzebujemy tysięcy takich nośników, aby stworzyć jeden stabilny kubit logiczny. To kluczowa bariera skalowalności. Redukcja szumów na poziomie sprzętowym bezpośrednio przekłada się na mniejszą liczbę potrzebnych komponentów fizycznych. Zatem stabilność nie jest tylko kwestią jakości, ale przede wszystkim ekonomii i możliwości technicznego upakowania układów w kriostatach lub pułapkach jonowych. Dopóki systemy wymagają zbyt dużej liczby kubitów pomocniczych do korygowania błędów, budowa użytecznej maszyny pozostaje poza zasięgiem ekonomicznym i logistycznym.
Różnorodność podejść do architektury układów
Inżynierowie testują różne podejścia do budowy stabilnych jednostek. Jednym z nich są obwody nadprzewodzące, które wykorzystują zjawisko przepływu prądu bez oporu w ekstremalnie niskich temperaturach. Choć pozwalają one na szybkie operacje i są relatywnie łatwe do wytworzenia przy użyciu znanych technik litograficznych, ich stabilność cierpi z powodu defektów materiałowych w złączach Josephsona. Każda niedoskonałość struktury krystalicznej staje się źródłem szumu, który skraca życie kubitu.
Inną ścieżką są pułapki jonowe, gdzie informacja przechowywana jest w stanach energetycznych pojedynczych atomów zawieszonych w próżni za pomocą pól elektromagnetycznych. Taki układ jest naturalnie odizolowany, co skutkuje znacznie dłuższymi czasami koherencji. Niestety, systemy te są trudniejsze w skalowaniu, gdyż oddziaływania między odległymi jonami wymagają zaawansowanych systemów laserowych i precyzyjnej kontroli ruchu atomów. Wybór odpowiedniej technologii zależy zatem od tego, którą z nich uda się szybciej ustabilizować w dużej skali.
Istnieją także koncepcje oparte na spinie elektronów w kropkach kwantowych, co jest bliskie tradycyjnej technologii krzemowej. Tutaj stabilność próbuje się wymusić poprzez ekstremalne oczyszczanie izotopowe materiałów, tak aby wyeliminować przypadkowe spiny jąder atomowych, które działają jak małe magnesy destabilizujące informację. Każde z tych podejść ma jeden wspólny cel: oswojenie chaosu otoczenia i utrzymanie delikatnego stanu kwantowego tak długo, jak to możliwe.
Korekcja błędów jako fundament stabilności
W informatyce klasycznej błędy zdarzają się rzadko, a ich naprawa jest rutynowa. W świecie kwantowym błąd jest stanem domyślnym. Stabilność komercyjna nie oznacza urządzenia, które nigdy się nie myli, ale urządzenie, które potrafi naprawiać swoje błędy szybciej, niż one powstają. Kluczowym pojęciem jest tutaj „próg błędu”. Jeśli stopień zakłóceń w układzie fizycznym spadnie poniżej pewnej granicy, możliwe jest zastosowanie kodów korygujących, które w nieskończoność utrzymują stabilność kubitu logicznego.
To właśnie przejście pod ten próg jest punktem zwrotnym dla komercjalizacji. Bez osiągnięcia odpowiedniej stabilności bazowej, każda próba dodania kolejnych kubitów do systemu powoduje lawinowy wzrost błędów, których nie da się opanować. Dlatego wysiłki inżynieryjne skupiają się obecnie nie tyle na zwiększaniu liczby kubitów, co na poprawie ich jakości. Stabilność stała się nową walutą w wyścigu o praktyczne zastosowania. Maszyna o stu bardzo stabilnych kubitach może okazać się potężniejsza niż taka, która dysponuje tysiącami niestabilnych jednostek, ponieważ ta pierwsza będzie w stanie wykonać głębokie obwody obliczeniowe, podczas gdy druga utonie w szumie już po kilku operacjach.
Wymagania infrastrukturalne i środowiskowe
Stabilność wymaga nie tylko nowatorskich projektów samych procesorów, ale przede wszystkim bezprecedensowej kontroli nad środowiskiem. Większość obecnych systemów pracuje w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. To konieczność, a nie wybór – energia cieplna w temperaturze pokojowej jest wystarczająca, aby natychmiast zniszczyć stan kwantowy. Stabilność komercyjna wiąże się więc z rozwojem zaawansowanej kriogeniki, która musi stać się bardziej niezawodna i dostępna.
Kolejnym aspektem jest stabilność elektroniki sterującej. Kubity wymagają sygnałów mikrofalowych lub impulsów laserowych o niezwykłej precyzji. Jakiekolwiek drganie fazy lub amplitudy w układach sterujących jest odczytywane przez kubit jako zakłócenie, co prowadzi do błędów dekoherencji indukowanej z zewnątrz. Komercjalizacja wymaga zatem symultanicznego rozwoju technologii kwantowych i klasycznej elektroniki o parametrach wykraczających poza obecne standardy rynkowe. Stabilny system kwantowy to tak naprawdę hybryda, w której warstwa klasycznego nadzoru musi być równie doskonała, co samo jądro kwantowe.
Praktyczne konsekwencje braku stabilności
Brak odpowiedniej koherencji przekłada się bezpośrednio na to, co nazywamy „głębokością algorytmu”. Algorytmy kwantowe, które mają realnie zmienić sposób, w jaki projektujemy leki, analizujemy struktury molekularne czy optymalizujemy łańcuchy dostaw, wymagają wykonania milionów operacji jedna po drugiej. Jeśli stabilność kubitów pozwoli jedynie na wykonanie kilkuset kroków, maszyna nigdy nie dotrze do rozwiązania problemu. Po prostu „zapomni”, co liczyła, i na wyjściu poda losowe dane.
W sferze komercyjnej oznacza to brak zaufania do wyników. Żadne przedsiębiorstwo nie zainwestuje w technologię, której wynik obarczony jest niepewnością wynikającą z hardware’owej niestabilności. Dlatego też etap „niszowego” wykorzystania komputerów kwantowych (era NISQ) jest okresem przejściowym, w którym uczy się, jak wyciskać maksimum z niedoskonałych jednostek. Prawdziwy przełom rynkowy nastąpi jednak dopiero w momencie, gdy stabilność osiągnie poziom pozwalający na tzw. obliczenia tolerujące błędy (fault-tolerant computing). Jest to granica oddzielająca prototypy od narzędzi produkcyjnych.
Materiałoznawstwo na usłudze fizyki kwantowej
Często zapomina się, że stabilność kubitów to w dużej mierze wyzwanie z dziedziny inżynierii materiałowej. Wykorzystanie krzemu, diamentów z centrami azotowymi czy nadprzewodzących metali wymaga zrozumienia ich zachowania w mikroskali z dokładnością do pojedynczych atomów. Zanieczyszczenia chemiczne, naprężenia mechaniczne w podłożu, a nawet naturalna radioaktywność materiałów budulcowych (emitująca cząstki alfa) stanowią źródła dekoherencji.
Stabilizacja wymaga więc tworzenia materiałów o niespotykanej czystości. Nowoczesne metody osadzania warstw atomowych i precyzyjna obróbka powierzchniowa pozwalają na wygładzenie pułapek energetycznych, w których „grzęzną” stany kwantowe. To mrówcza praca u podstaw, która nie jest tak spektakularna jak ogłaszanie nowych rekordów liczby kubitów, ale to ona realnie przybliża moment komercjalizacji. Bez stabilnego fundamentu materiałowego, każda architektura kwantowa prędzej czy później uderzy w ścianę wynikającą z fizycznych ograniczeń nośnika.
Wyzwania w przesyłaniu stabilnych stanów
Komercyjny komputer kwantowy nie będzie prawdopodobnie urządzeniem autonomicznym w takim sensie, jak dzisiejsze laptopy. Będzie to raczej węzeł w szerszej sieci. Tutaj pojawia się kolejny problem: stabilność podczas transportu informacji. Stany kwantowe muszą być przesyłane między różnymi modułami procesora lub między różnymi komputerami bez utraty koherencji. Zjawisko splątania, które pozwala na łączenie kubitów w pary, jest kluczowe dla zwiększenia mocy obliczeniowej, ale jest również niezwykle wrażliwe na zakłócenia w kanałach komunikacyjnych.
Tworzenie stabilnych interfejsów między światłem (fotonami używanymi do transmisji) a materią (kubitami stacjonarnymi) to jedno z najtrudniejszych zadań inżynieryjnych. Stabilność w tym kontekście oznacza minimalizację strat przy konwersji sygnału. Jeśli podczas przesyłania stan kwantowy ulegnie zniekształceniu, cały zysk z posiadania wydajnego procesora kwantowego zostanie zniweczony przez błędy w komunikacji wewnętrznej systemu. Dlatego stabilność jest pojęciem holistycznym, obejmującym nie tylko sam procesor, ale całą infrastrukturę przesyłu danych kwantowych.
Patrząc na rozwój innych technologii w historii, widać wyraźną analogię. Pierwsze silniki spalinowe czy pierwsze tranzystory również borykały się z ogromną zawodnością. Dopiero wypracowanie metod gwarantujących powtarzalność i stabilność działania pozwoliło na ich masową produkcję. W przypadku komputerów kwantowych jesteśmy właśnie w tym kluczowym momencie, w którym nacisk przesuwa się z „czy to w ogóle działa” na „jak długo i jak stabilnie to działa”. To przejście od nauki do inżynierii definiuje obecną fazę rozwoju tej dziedziny i jest jedyną drogą do wyjścia technologii kwantowej na szeroki rynek użytkowy.
Brak dążenia do stabilności za wszelką cenę oznaczałby zgodę na pozostanie w fazie eksperymentu. Komercjalizacja wymaga przewidywalności, a ta w świecie kwantowym jest towarem deficytowym. Rozwiązanie zagadek dekoherencji, doskonalenie systemów chłodzenia oraz rozwój precyzyjnej elektroniki to trzy filary, na których oprze się przyszła branża obliczeń kwantowych. Każdy postęp w wydłużaniu czasu koherencji, nawet o ułamek, to krok milowy, który przybliża nas do momentu, w którym komputery te zaczną realnie rozwiązywać problemy niemożliwe do ugryzienia przez klasyczną architekturę von Neumanna.