Potencjał komputerów kwantowych do rewolucjonizowania dziedzin takich jak rozwój nowych materiałów, badania farmaceutyczne i sztuczna inteligencja jest od dawna zapowiadany. Zdolność tych maszyn do wykonywania obliczeń, które wykraczają poza zasięg nawet najpotężniejszych klasycznych superkomputerów, otwiera drzwi do bezprecedensowych postępów naukowych i technologicznych. Jednak realizacja tego potencjału zależy od pokonania znaczących przeszkód, związanych przede wszystkim z szybkością i niezawodnością operacji kwantowych.

Komputery kwantowe opierają się na bitach kwantowych, czyli kubitach, które w przeciwieństwie do bitów klasycznych (mogących przyjmować wartość 0 lub 1) mogą istnieć jednocześnie w superpozycji obu stanów. Mogą być również splątane kwantowo, co oznacza, że losy dwóch lub więcej kubitów są ze sobą powiązane niezależnie od ich odległości. Te właściwości pozwalają komputerom kwantowym badać ogromną liczbę możliwości równolegle, co daje im wykładniczą przewagę w przypadku niektórych klas problemów. Jednak te same właściwości kwantowe sprawiają, że kubity są niezwykle wrażliwe na wpływy zewnętrzne i szum środowiskowy, co prowadzi do błędów i utraty informacji kwantowej – procesu znanego jako dekoherencja.

Wyzwanie szybkości i niezawodności w obliczeniach kwantowych

Jednym z kluczowych wyzwań w budowie funkcjonalnych komputerów kwantowych jest potrzeba wykonywania operacji i pomiarów (odczytu stanów kubitów) niezwykle szybko. Kubity mają ograniczony czas życia, znany jako czas koherencji, podczas którego zachowują swoje właściwości kwantowe. Wszystkie operacje, w tym te potrzebne do korekcji błędów, muszą odbyć się w tym krótkim oknie czasowym, zanim informacja kwantowa zostanie nieodwracalnie utracona. Im szybsze operacje, tym więcej można ich wykonać przed dekoherencją, co umożliwia bardziej złożone obliczenia i skuteczniejsze protokoły korekcji błędów.

Proces odczytu stanu kubitu jest szczególnie krytyczny. Polega on na interakcji kubitu z urządzeniem pomiarowym, często za pośrednictwem cząstek światła (fotonów), w celu ustalenia, czy kubit znajduje się w stanie 0 czy 1. Wydajność i szybkość tego procesu zależą bezpośrednio od siły interakcji, czyli sprzężenia, między kubitem (działającym jak sztuczny atom przechowujący informację) a fotonem (który przenosi tę informację). Słabe sprzężenie oznacza wolniejszy i potencjalnie mniej dokładny odczyt, co stanowi wąskie gardło w całych obliczeniach kwantowych.

Rewolucyjny przełom naukowców z MIT

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) niedawno ogłosili znaczący postęp, który może radykalnie przyspieszyć operacje kwantowe i odczyt. W artykule opublikowanym wczoraj, 30 kwietnia 2025 r., w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications, zespół zademonstrował, jak sądzą, najsilniejsze nieliniowe sprzężenie światło-materia, jakie kiedykolwiek osiągnięto w systemie kwantowym.

To osiągnięcie stanowi kluczowy krok w kierunku realizacji operacji kwantowych i procesów odczytu, które mogłyby być wykonywane w ciągu zaledwie kilku nanosekund – o rzędy wielkości szybciej niż wiele istniejących podejść. Zespół z MIT wykorzystał innowacyjną architekturę obwodów nadprzewodzących, aby uzyskać nieliniowe sprzężenie światło-materia, które jest o około rząd wielkości (około 10 razy) silniejsze niż poprzednie demonstracje. Tak znaczące wzmocnienie sprzężenia mogłoby pozwolić procesorowi kwantowemu pracować około dziesięć razy szybciej.

"To naprawdę mogłoby wyeliminować jedno z wąskich gardeł w obliczeniach kwantowych" – stwierdził Yufeng “Bright” Ye, doktorant z MIT (SM ’20, PhD ’24) i główny autor badania. "Zazwyczaj trzeba mierzyć wyniki obliczeń między rundami korekcji błędów. To mogłoby przyspieszyć osiągnięcie etapu obliczeń kwantowych odpornych na błędy (fault-tolerant) i umożliwić uzyskanie rzeczywistej wartości i zastosowań z naszych komputerów kwantowych."

Innowacja u podstaw przełomu: Sprzęgacz kwartonowy

Podstawą tego sukcesu są wieloletnie badania teoretyczne prowadzone w grupie Quantum Coherent Electronics na MIT, kierowanej przez Kevina O’Briena, profesora nadzwyczajnego i głównego badacza w Laboratorium Badawczym Elektroniki (RLE) na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS). Po dołączeniu Ye do laboratorium w 2019 roku, rozpoczął on prace nad specjalistycznym detektorem fotonicznym w celu usprawnienia przetwarzania informacji kwantowej.

Dzięki tej pracy Ye wynalazł nowy typ sprzęgacza kwantowego (coupler), urządzenia ułatwiającego interakcje między kubitami. To konkretne urządzenie, nazwane "sprzęgaczem kwartonowym" (quarton coupler), wykazało ogromny potencjał zastosowania w operacjach kwantowych i odczycie, szybko stając się centrum badań laboratorium.

Sprzęgacz kwartonowy to specjalny rodzaj obwodu nadprzewodzącego zaprojektowany do generowania wyjątkowo silnych sprzężeń nieliniowych. Nieliniowość w tym kontekście oznacza, że zachowanie systemu wykracza poza prostą sumę jego części, wykazując bardziej złożone właściwości interakcji. W algorytmach kwantowych to właśnie interakcje nieliniowe są często kluczowe. Zwiększając prąd dostarczany do sprzęgacza kwartonowego, badacze mogą wywołać jeszcze silniejszą interakcję nieliniową.

"Większość użytecznych interakcji w obliczeniach kwantowych wynika z nieliniowego sprzężenia światła i materii. Jeśli można osiągnąć bardziej wszechstronny zakres różnych typów sprzężenia i zwiększyć jego siłę, to w istocie można zwiększyć szybkość przetwarzania komputera kwantowego" – wyjaśnia Ye.

Architektura eksperymentu i mechanizm działania

Układ eksperymentalny opracowany przez badaczy z MIT składa się z chipu, na którym znajdują się dwa nadprzewodzące kubity połączone sprzęgaczem kwartonowym. Jeden z kubitów jest skonfigurowany do działania jako rezonator (komponent oscylujący z określoną częstotliwością), podczas gdy drugi służy jako sztuczny atom przechowujący informację kwantową (w stanie 0 lub 1). Informacja jest przesyłana i odczytywana za pomocą cząstek światła mikrofalowego, czyli fotonów.

Proces odczytu polega na skierowaniu światła mikrofalowego na kubit. W zależności od stanu kwantowego kubitu (0 lub 1) dochodzi do niewielkiego przesunięcia częstotliwości rezonansowej powiązanego rezonatora. Mierząc to przesunięcie częstotliwości, naukowcy mogą precyzyjnie określić stan kubitu. Kluczem do szybkości i dokładności tego pomiaru jest nieliniowe sprzężenie światło-materia między kubitem a rezonatorem, które sprzęgacz kwartonowy znacząco wzmacnia.

"Interakcja między tymi nadprzewodzącymi sztucznymi atomami a światłem mikrofalowym, które kieruje sygnałem, jest podstawą sposobu, w jaki zbudowany jest cały nadprzewodzący komputer kwantowy" – wyjaśnia Ye. To właśnie sprzęgacz kwartonowy umożliwia dziesięciokrotnie silniejsze sprzężenie nieliniowe w tej architekturze.

Implikacje dla szybszego odczytu i operacji kwantowych

Osiągnięta siła nieliniowego sprzężenia światło-materia otwiera drogę do systemów kwantowych z błyskawicznym odczytem, mierzonym w nanosekundach. To drastyczne skrócenie czasu potrzebnego na odczyt bezpośrednio wpływa na zdolność komputera kwantowego do wykonywania większej liczby operacji w ograniczonym czasie koherencji kubitów.

Ale na tym historia się nie kończy. "Ta praca to nie koniec historii. To demonstracja fundamentalnej fizyki, ale w grupie trwają teraz prace nad realizacją naprawdę szybkiego odczytu" – mówi O'Brien. Obejmuje to dodanie dodatkowych komponentów elektronicznych, takich jak filtry, aby stworzyć kompletny obwód odczytu, który mógłby zostać zintegrowany z większymi systemami kwantowymi.

Ponadto, badacze w swoim eksperymencie zademonstrowali również wyjątkowo silne sprzężenie materia-materia. Jest to inny rodzaj interakcji, między samymi kubitami, która jest fundamentalna dla wykonywania kwantowych operacji logicznych (bramek kwantowych) stanowiących podstawę algorytmów kwantowych. Silniejsze sprzężenie materia-materia oznacza również szybsze wykonywanie tych operacji. Jest to kolejny obszar, który zespół planuje szczegółowo zbadać w przyszłych pracach.

Krok w kierunku komputerów kwantowych odpornych na błędy

Szybkie operacje i szybki odczyt to nie tylko kwestia wydajności; są one kluczowe dla osiągnięcia ostatecznego celu – budowy komputera kwantowego odpornego na błędy (fault-tolerant quantum computer). Ze względu na nieodłączną kruchość kubitów i nieunikniony szum, komputery kwantowe stale generują błędy. Koncepcja odporności na błędy opiera się na wykorzystaniu kwantowych kodów korekcji błędów (QEC), gdzie informacja jednego kubitu logicznego jest kodowana za pomocą wielu kubitów fizycznych.

Protokoły QEC wymagają okresowych pomiarów stanów kubitów pomocniczych w celu wykrywania i korygowania błędów, bez niszczenia samej zakodowanej informacji kwantowej. Im szybsze operacje i odczyty, tym więcej cykli QEC można przeprowadzić w czasie koherencji, co drastycznie zmniejsza ogólną stopę błędów obliczeń.

"Im więcej rund korekcji błędów można przeprowadzić, tym mniejszy będzie błąd w wynikach" – podkreśla Ye. Silniejsze sprzężenie nieliniowe umożliwione przez sprzęgacz kwartonowy bezpośrednio przyczynia się do szybszej pracy procesora kwantowego z niższą stopą błędów, przybliżając nas do ery praktycznego, niezawodnego przetwarzania kwantowego na dużą skalę.

Chociaż potrzeba jeszcze wiele pracy, zanim ta architektura będzie mogła zostać zaimplementowana w rzeczywistych, dużych komputerach kwantowych, demonstracja fundamentalnych zasad fizycznych umożliwiających ultraszybkie sprzężenie stanowi znaczący krok naukowy i inżynierski. Ta praca, wspierana przez Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych (Army Research Office), Centrum Obliczeń Kwantowych AWS (AWS Center for Quantum Computing) i Centrum Inżynierii Kwantowej MIT (MIT Center for Quantum Engineering), toruje drogę przyszłym technologiom kwantowym, które mogłyby rozwiązać niektóre z najtrudniejszych problemów świata.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology