Potencijal kvantnih računala za revolucioniranje područja poput razvoja novih materijala, farmaceutskih istraživanja i umjetne inteligencije dugo je najavljivan. Sposobnost ovih strojeva da izvode izračune koji su izvan dosega čak i najmoćnijih klasičnih superračunala otvara vrata neslućenim znanstvenim i tehnološkim napretcima. Međutim, ostvarenje ovog potencijala ovisi o prevladavanju značajnih prepreka, prvenstveno vezanih uz brzinu i pouzdanost kvantnih operacija.

Kvantna računala temelje se na kvantnim bitovima, ili kubitima, koji za razliku od klasičnih bitova (koji mogu biti 0 ili 1) mogu postojati u superpoziciji oba stanja istovremeno. Također mogu biti kvantno spregnuti, što znači da su sudbine dvaju ili više kubita povezane bez obzira na njihovu udaljenost. Ova svojstva omogućuju kvantnim računalima da istražuju ogroman broj mogućnosti paralelno, što im daje eksponencijalnu prednost za određene klase problema. No, ta ista kvantna svojstva čine kubite izuzetno osjetljivima na vanjske utjecaje i šum iz okoline, što dovodi do pogrešaka i gubitka kvantne informacije – procesa poznatog kao dekoherencija.

Izazov brzine i pouzdanosti u kvantnom računarstvu

Jedan od ključnih izazova u izgradnji funkcionalnih kvantnih računala jest potreba za izvođenjem operacija i mjerenja (očitavanja stanja kubita) iznimno brzo. Kubiti imaju ograničeno vrijeme trajanja, poznato kao vrijeme koherencije, tijekom kojeg zadržavaju svoja kvantna svojstva. Sve operacije, uključujući i one potrebne za ispravljanje pogrešaka, moraju se odviti unutar tog kratkog vremenskog prozora prije nego što se kvantna informacija nepovratno izgubi. Što su operacije brže, to ih se više može izvesti prije dekoherencije, omogućujući složenije izračune i učinkovitije protokole za ispravljanje pogrešaka.

Proces očitavanja stanja kubita posebno je kritičan. On uključuje interakciju kubita s mjernim uređajem, često putem čestica svjetlosti (fotona), kako bi se utvrdilo nalazi li se kubit u stanju 0 ili 1. Učinkovitost i brzina ovog procesa izravno ovise o jačini interakcije, odnosno sprege, između kubita (koji djeluju kao umjetni atomi pohranjujući informaciju) i fotona (koji prenose tu informaciju). Slaba sprega znači sporije i potencijalno manje točno očitavanje, što predstavlja usko grlo u cjelokupnom kvantnom izračunu.

Revolucionarni iskorak znanstvenika s MIT-a

Znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology (MIT) nedavno su objavili značajan napredak koji bi mogao dramatično ubrzati kvantne operacije i očitavanje. U radu objavljenom jučer, 30. travnja 2025., u uglednom časopisu Nature Communications, tim je demonstrirao, kako vjeruju, najjaču nelinearnu spregu između svjetlosti i materije ikad postignutu u kvantnom sustavu.

Ovo postignuće predstavlja ključni korak prema realizaciji kvantnih operacija i procesa očitavanja koji bi se mogli izvoditi unutar svega nekoliko nanosekundi – redovima veličine brže od mnogih postojećih pristupa. Tim s MIT-a koristio je inovativnu arhitekturu supravodljivih krugova kako bi ostvario nelinearnu spregu svjetlost-materija koja je otprilike za red veličine (oko 10 puta) jača od prethodnih demonstracija. Takvo značajno pojačanje sprege moglo bi omogućiti kvantnom procesoru da radi otprilike deset puta brže.

"Ovo bi zaista moglo eliminirati jedno od uskih grla u kvantnom računarstvu," izjavio je Yufeng “Bright” Ye, doktorand s MIT-a (SM ’20, PhD ’24) i vodeći autor studije. "Obično morate mjeriti rezultate svojih izračuna između rundi ispravljanja pogrešaka. Ovo bi moglo ubrzati dostizanje faze kvantnog računanja otpornog na pogreške (fault-tolerant) i omogućiti dobivanje stvarne vrijednosti i primjena iz naših kvantnih računala."

Inovacija u srcu proboja: Quarton sprežnik

Temelj ovog uspjeha leži u višegodišnjem teorijskom istraživanju unutar grupe Quantum Coherent Electronics na MIT-u, koju vodi Kevin O’Brien, izvanredni profesor i glavni istraživač u Istraživačkom laboratoriju za elektroniku (RLE) na Odsjeku za elektrotehniku i računarstvo (EECS). Nakon što se Ye pridružio laboratoriju 2019. godine, započeo je razvoj specijaliziranog fotonskog detektora s ciljem poboljšanja obrade kvantnih informacija.

Kroz taj rad, Ye je izumio novu vrstu kvantnog sprežnika (coupler), uređaja koji olakšava interakcije između kubita. Ovaj specifični uređaj, nazvan "quarton sprežnik" (quarton coupler), pokazao je ogroman potencijal za primjenu u kvantnim operacijama i očitavanju, brzo postavši fokus istraživanja laboratorija.

Quarton sprežnik je posebna vrsta supravodljivog kruga dizajnirana da generira izuzetno jake nelinearne sprege. Nelinearnost u ovom kontekstu znači da ponašanje sustava nadilazi jednostavan zbroj njegovih dijelova, pokazujući složenija svojstva interakcije. Kod kvantnih algoritama, upravo su nelinearne interakcije često ključne. Povećanjem struje koja se dovodi u quarton sprežnik, istraživači mogu inducirati još jaču nelinearnu interakciju.

"Većina korisnih interakcija u kvantnom računarstvu proizlazi iz nelinearne sprege svjetlosti i materije. Ako možete postići svestraniji raspon različitih tipova sprege i povećati njezinu jačinu, tada u suštini možete povećati brzinu obrade kvantnog računala," pojašnjava Ye.

Arhitektura eksperimenta i mehanizam djelovanja

Eksperimentalna postava koju su osmislili istraživači s MIT-a sastoji se od čipa na kojem se nalaze dva supravodljiva kubita povezana quarton sprežnikom. Jedan od kubita konfiguriran je da djeluje kao rezonator (komponenta koja oscilira na određenoj frekvenciji), dok drugi služi kao umjetni atom koji pohranjuje kvantnu informaciju (u stanju 0 ili 1). Informacija se prenosi i očitava pomoću čestica mikrovalne svjetlosti, odnosno fotona.

Proces očitavanja funkcionira tako da se mikrovalna svjetlost usmjeri na kubit. Ovisno o kvantnom stanju kubita (0 ili 1), dolazi do malog pomaka u rezonantnoj frekvenciji pridruženog rezonatora. Mjerenjem ovog frekvencijskog pomaka znanstvenici mogu precizno odrediti stanje kubita. Ključ za brzinu i točnost ovog mjerenja je nelinearna sprega svjetlost-materija između kubita i rezonatora, koju quarton sprežnik značajno pojačava.

"Interakcija između ovih supravodljivih umjetnih atoma i mikrovalne svjetlosti koja usmjerava signal temelj je načina na koji je izgrađeno cijelo supravodljivo kvantno računalo," objašnjava Ye. Upravo je quarton sprežnik taj koji omogućuje deseterostruko jaču nelinearnu spregu u ovoj arhitekturi.

Implikacije za brže očitavanje i kvantne operacije

Postignuta snaga nelinearne sprege svjetlost-materija otvara put prema kvantnim sustavima s munjevitim očitavanjem, mjerenim u nanosekundama. Ovo drastično smanjenje vremena potrebnog za očitavanje izravno utječe na sposobnost kvantnog računala da izvodi više operacija unutar ograničenog vremena koherencije kubita.

No, priča ne završava ovdje. "Ovaj rad nije kraj priče. Ovo je demonstracija fundamentalne fizike, ali u grupi sada traje rad na realizaciji zaista brzog očitavanja," kaže O'Brien. To uključuje dodavanje dodatnih elektroničkih komponenti, poput filtara, kako bi se stvorio cjeloviti krug za očitavanje koji bi se mogao integrirati u veće kvantne sustave.

Osim toga, istraživači su u svom eksperimentu demonstrirali i izuzetno jaku spregu materija-materija. Ovo je druga vrsta interakcije, ona između samih kubita, koja je fundamentalna za izvođenje kvantnih logičkih operacija (kvantnih vrata) koje čine osnovu kvantnih algoritama. Jača sprega materija-materija također znači brže izvođenje ovih operacija. Ovo je još jedno područje koje tim planira detaljnije istražiti u budućim radovima.

Korak prema kvantnim računalima otpornim na pogreške

Brze operacije i brzo očitavanje nisu samo pitanje efikasnosti; oni su presudni za postizanje krajnjeg cilja – izgradnje kvantnog računala otpornog na pogreške (fault-tolerant quantum computer). Zbog inherentne krhkosti kubita i neizbježnog šuma, kvantna računala stalno generiraju pogreške. Koncept tolerancije na pogreške oslanja se na korištenje kvantnih kodova za ispravljanje pogrešaka (QEC), gdje se informacija jednog logičkog kubita kodira pomoću više fizičkih kubita.

QEC protokoli zahtijevaju periodična mjerenja stanja pomoćnih kubita kako bi se detektirale i ispravile pogreške, bez uništavanja same kodirane kvantne informacije. Što su operacije i očitavanja brži, to se više ciklusa QEC-a može provesti unutar vremena koherencije, čime se drastično smanjuje ukupna stopa pogreške izračuna.

"Što više rundi ispravljanja pogrešaka možete provesti, to će pogreška u rezultatima biti manja," naglašava Ye. Jača nelinearna sprega koju omogućuje quarton sprežnik izravno doprinosi bržem radu kvantnog procesora s nižom stopom pogreške, približavajući nas eri praktične, pouzdane kvantne obrade velikih razmjera.

Iako je potrebno još mnogo rada prije nego što se ova arhitektura može implementirati u stvarna, velika kvantna računala, demonstracija temeljnih fizikalnih principa koji omogućuju ultrabrzu spregu predstavlja značajan znanstveni i inženjerski korak. Ovaj rad, podržan od strane Ureda za istraživanje vojske SAD-a (Army Research Office), AWS Centra za kvantno računarstvo i MIT Centra za kvantno inženjerstvo, utire put budućim kvantnim tehnologijama koje bi mogle riješiti neke od najzahtjevnijih svjetskih problema.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology