Adam Weiss w SEEQC, foundryjne fabryce układów kwantowych, konfigurujący lodowcowy chłodnik rozcieńczający
SEEQC
Dużo rzeczy kocham z lat 80., od nowej fali brytyjskiego heavy metalu po obficie stosowany fioletowy róż przez charakteryzatorów epoki. Jednak, wśród całej tych fryzur, hałasu i blasku, były pewne pominięte gwiazdy: obwody nadprzewodzące. W 1980 r. gigant komputerowy IBM obstawiał na tę technologię, aby zbudować komputery, które byłyby na tyle wydajne, aby stać się rewolucyjnymi. W maju tego roku popularny magazyn naukowy „Scientific American” umieścił nawet obwód nadprzewodzący na swojej okładce.
Jednak rewolucja nigdy nie nadeszła. Komputerowe układy nadprzewodzące zdawały się podążać w kierunku trwałej odchodzącej fali jak trwała falanga i spodnie z ściągniętymi nogawkami. Jednak jedna firma podtrzymała badania na tej technologii. Ostatnio odwiedziłam siedzibę SEEQC oraz fabrykę kwantowych układów firmy na północy stanu Nowy Jork, która częściowo wyrosła z zamkniętego programu komputerowego IBM dotyczącego nadprzewodzących obliczeń. Tam dowiedziałam się o nadziejach firmy, że układy nadprzewodzące odegrają rolę w nowej rewolucji technologicznej – tym razem przy komputerach kwantowych.
Wewnątrz obiektu produkcyjnego SEEQC otoczona jestem dużymi maszynami i technikami w pełnoszczelnym odzieniu ochronnym. W niektórych z tych czystych pomieszczeń, ultracienkie warstwy nadprzewodzącego metalu – niobu – są powtarzalnie i ostrożnie odkładane na warstwy materiałów dielektrycznych, tworząc delikatną strukturę przypominającą kanapkę. W innych urządzenia litograficzne używają światła do napisania skomplikowanych obwodów na tych strukturach, a każda mała dziurka i bruzda staje się ważna dla procesów kwantowych, które je napędzają. Całe piętro jest pełne szumu, a wszystko spowite jest żółtym światłem, które – jak mi powiedziano – zakłóca mniej proces produkcji układów niż inne kolory. Podczas gdy rozmawiamy w przyległym pokoju konferencyjnym, dyrektor generalny SEEQC John Levy podaje mi wersję układu nadprzewodzącego firmy, i uderza mnie, jak niewinne małe i kwadratowe jest to urządzenie, które ma zmienić już futurystyczną branżę.
Problem, który musimy rozwiązać
Nadprzewodniki przewodzą elektryczność z doskonałą wydajnością, co odróżnia je od wszystkich materiałów, których powszechnie używamy do elektroniki. Gdy podłączasz telefon do ładowania, kabel lub ładowarka często się nagrzewają, zmniejszając energię, która miała trafić do twojego telefonu. Zdarza się to na tyle często, że w 2017 roku informatyk Michael Frank napisał: „Konwencjonalny komputer jest, w zasadzie, drogim grzejnikiem elektrycznym, który przypadkiem wykonuje niewielką ilość obliczeń”.
Komputer z komponentami nadprzewodzącymi nie miałby tego problemu. Istnieje jednak haczyk: wszystkie znane nadprzewodniki muszą być albo utrzymywane w skrajnie niskiej temperaturze, albo poddane ekstremalnemu ciśnieniu, aby działać. Oznacza to, że komputer nadprzewodzący zawsze musiałby być utrzymywany tylko kilka stopni powyżej zera absolutnego. Było to historycznie zbyt kosztowne i niewygodne. IBM zakończył swoje badania nad nadprzewodzącymi obliczeniami w 1983 roku. Gorącą firmą zostały komputery konwencjonalne, a paradoksalnie, koszty energetyczne obliczeń tylko wzrosły, piorunując dzisiaj głównie przez boom sztucznej inteligencji.
Jednakże nadprzewodniki wróciły do światła reflektorów kilka dekad później. W 1999 roku zespół badaczy w Japonii stworzył pierwszy nadprzewodzący bit kwantowy, zwany cubitem kwantowym, który jest najbardziej podstawowym budulcem komputera kwantowego. Była to fundamentalnie inna propozycja od tego, czego badacze próbowali dziesięć lat wcześniej. Zamiast replikować powszechnie stosowane obliczenia za pomocą nadprzewodników, otworzyli drzwi do zupełnie nowego rodzaju obliczeń, z urządzeniami przetwarzającymi informacje za pomocą mechanizmów, których po prostu nie ma w żadnym komputerze konwencjonalnym.
Obliczenia kwantowe zrobiły ogromne postępy od tamtej pory, a nadprzewodzące cubity odegrały w nich ważną rolę. Firmy takie jak Google i IBM wykorzystują je do napędu niektórych z najpotężniejszych komputerów kwantowych obecnie dostępnych, a te urządzenia zaczęły zajmować się naukowo interesującymi problemami z obiecującym sukcesem. Niektóre demonstracje „przewagi kwantowej” nad komputerami klasycznymi pozostają niekwestionowane, co podkreśla obietnicę, że te maszyny są fundamentalnie różne od jakichkolwiek wcześniej zbudowanych komputerów.
Jednocześnie komputery kwantowe nie spełniły jeszcze swoich obietnic rewolucyjnych: nie złamały powszechnie stosowanego szyfrowania, nie odkryły nowych cudownych leków ani nie zrewolucjonizowały przemysłowej chemii, by wymienić tylko kilka. Droga do osiągnięcia tych celów pozostaje pełna wyzwań technicznych i przeszkód inżynierskich.
Czy część odpowiedzi może leżeć aż w latach 80.? Levy zdecydowanie tak sądzi. Twierdzi, że jego zespół buduje cyfrowe nadprzewodzące układy scalone, które mogą pozwolić komputerom kwantowym stać się większymi, bardziej wydajnymi i bardziej odporne na błędy jednocześnie. Na końcu korytarza, badacze testują układy w różnych rodzajach lodówek rurkowych, podczas gdy tłumaczy mi, że ich celem nie jest tworzenie kolejnego narzędzia ani kolejnego komponentu, lecz zastąpienie wielu komponentów, które obecnie sprawiają, że komputery kwantowe są masywne i niewydajne.
Podstawą superprzewodzącego komputera kwantowego jest chip wypełniony nadprzewodzącymi qubitami oraz lodówka, w której ten chip musi być przechowywany, aby działać. Patrząc z zewnątrz, możesz zobaczyć jedną gładką prostokątną skrzynię, zazwyczaj wysoką na osobę. Jednak to nie wszystko. Qubity muszą być sterowane i monitorowane, informacje muszą być wprowadzone do nich z komputera konwencjonalnego, a wyniki ich obliczeń muszą być odczytywane również przez taki komputer. Qubity są również łamliwe i podatne na błędy, dlatego specjalistyczne algorytmy korekcji błędów muszą kontrolować i dostosowywać wiele qubitów naraz w czasie rzeczywistym. Dlatego niekwantowe komponenty kwantowego komputera są niezmiernie ważne dla jego funkcjonowania – i zajmują sporo miejsca i zużywają dużo energii. Za każdą wysoką lodówką, której wnętrze mieści qubity, zazwyczaj znajduje się kilka innych równie wysokich szafek z regałami pełnymi energochłonnych konwencjonalnych urządzeń. I istnieje całe mnóstwo kabli łączących qubity z częściami niekwantowymi komputera.
Dodanie kolejnych qubitów, co jest konieczne, aby komputer był silniejszy, wymaga jeszcze większej liczby kabli. „Fizycznie nie jesteś w stanie dołączać kabli w nieskończoność” – mówi Shu-Jen Han, dyrektor techniczny w SEEQC. Nie tylko wewnątrz lodówki staje się problemem, ale każdy kabel niesie ze sobą pewne ciepło, które zakłóca qubity i niszczy ich wydajność. Sposób, w jaki qubity są ze sobą połączone, kontrolowane, okablowane i zapakowane, może wydawać się drobnostkowym aspektem technologii, którym powinni martwić się tylko inżynierowie i eksperci, ale stał się jednym z problemów, który powstrzymuje komputery kwantowe przed dalszym dojrzewaniem.
Trzymany przeze mnie układ SEEQC mógłby poradzić sobie z tym wszystkim.
