A kvantumszámítógépek pontosabbá tétele

Az MIT campusán, a 13-as épületben egy félmillió dolláros berendezés található, amely úgy néz ki, mint egy hosszú, kinyújtott csillár, és egy sor aranykorongot vékony ezüstcsövek kötnek össze. A hígítóhűtőként ismert berendezés kulcsszerepet játszik Alex Greene PhD-hallgató kutatásában, mivel minden kísérletüknek otthont ad. „Az életem a ritmusai szerint alakul” – mondják.

Amikor Greene először segített új mintákat betenni a hűtőbe, péntek éjfélkor egy posztdokival dolgoztak, dán screamo zenét robbantva. Azóta a hűtőszekrény izgalmas és frusztráló kalandokba vezette őket a kvantumszámítási rendszerek hibáinak csökkentésével kapcsolatos PhD-kutatásuk során.

Greene New Jersey északi részén nőtt fel egypetéjű ikertestvérükkel, Jamie-vel. Gyerekként rendkívül versengtek, és az iskolán kívül a futás, a rúdugrás és a sziklamászás során is elfoglaltak maradtak. Apjuk neurológus, anyjuk pedig egykori villamosmérnök, aki a Bell Labs kutatólaboratóriumában dolgozott, amely a számítógépek és telefonok kulcsfontosságú technológiájáról ismert.

2010-ben Alex és Jamie is egyetemistaként érkezett az MIT-re. Alex már a középiskolában érdeklődött az orvosbiológiai mérnökök iránt, de aztán rájöttem, hogy utálok „nedves” laborokban dolgozni, ahol a tudósok vegyszerekkel és biológiai anyagokkal foglalkoznak. Egy másik hatás Carl Sagan „Kapcsolat” című tudományos-fantasztikus könyve volt egy földönkívüli intelligenciát kereső csillagászról. „Ez megragadta a fizikát” – mondja Greene.

Az MIT egyetemi hallgatójaként Greene kettős szakon szerzett fizikát, valamint elektromérnököt és számítástechnikát. Otthonra leltek a kvantumszámítás területén, ahol a kutatók rendkívül nagy teljesítményű számítógépek megépítésén dolgoznak a kvantummechanika fizikai koncepcióinak felhasználásával.

Greene az MIT-nél maradt, hogy a kvantumszámítástechnikával foglalkozzon, és a Lincoln Laboratoryban dolgozott. Ott azt kutatták, hogyan lehetne továbbfejleszteni a csapdába esett ion kvantumszámításnak nevezett technológiát, amely a levegőben szuszpendált és lézerekkel vezérelt atomokat használ.

Miután elvégezték a mesterképzést, egy másik technológiát választottak, amelyet szupravezető kvantumszámításnak neveztek. A lebegő atomok helyett ez a technológia apró elektromos áramköröket használ, amelyek kivételesen hordozzák az elektromos áramot. Ezen áramkörök vezérléséhez a kutatóknak csak elektromos jeleket kell küldeniük.

Ebben a projektben Greene az MIT professzorával, William Oliverrel akart együtt dolgozni, aki az Elektronikai Kutatólaboratóriumban a Quantum Engineering Központot irányítja. Greene ismét úgy döntött, hogy az intézetben marad – ezúttal a doktori cím megszerzése érdekében.

Véletlenszerűség hozzáadása a kvantumszámítógépekhez

Egy nap a kvantumszámítógépek olyan problémákat oldhatnak meg, amelyek a hagyományos, klasszikus számítógépek által nem elérhetőek, és hatalmas előrelépést tesznek lehetővé számos alkalmazásban. A hardver kvantumviselkedést mutató manipulálása azonban technológiai szempontból kihívást jelent. Jelenleg a kvantumszámítógépek, beleértve a szupravezetőket is, magas hibaaránnyal küzdenek, ami korlátozza az általuk futtatható „programok” hosszát és összetettségét. A kvantumszámítással kapcsolatos kísérleti kutatások többsége ezeknek a hibáknak a megoldására összpontosít.

A Greene azon dolgozik, hogy e hibák hatásának csökkentésével pontosabbá tegye a szupravezető kvantumszámítógépeket. Ötleteik teszteléséhez szupravezető áramkörökön kell kísérleteket futtatniuk. De ahhoz, hogy ezek az áramkörök működjenek, rendkívül alacsony hőmérsékletre kell lehűteni őket, körülbelül -273,13 Celsius-fokig – 0,02 fokos távolságon belül a világegyetem lehető leghidegebb hőmérsékletétől.

Itt jön képbe a csillárszerű hígítós hűtőszekrény. A hűtőszekrény könnyen eléri a kívánt hideg hőmérsékletet. De néha rosszul viselkedik, és Greene-t mellékküldetésekre küldi, hogy megoldja a problémáit.

Greene legfárasztóbb mellékküldetése a hűtőszekrény egyik csövének szivárgásának felkutatása volt. A csövek drága és ritka gázkeveréket szállítanak a hűtőszekrény hűtésére, amelyet Greene nem engedhetett meg magának. Szerencsére a hűtőszekrényt még a szivárgás ellenére is úgy tervezték, hogy egyenként körülbelül két hétig működőképes maradjon anélkül, hogy elveszítené a keveréket. De ahhoz, hogy a hűtőszekrény üzemben maradjon, Greene-nek folyamatosan újra kellett indítania és meg kellett tisztítania egy ötnapos folyamat alatt. Körülbelül hét stresszes hónap után Greene és labortársuk végre megtalálták és kijavították a szivárgást, lehetővé téve Greene számára, hogy teljes sebességgel folytassa a kutatást.

A szupravezető kvantumszámítógépek pontosságának hatékony javításához Greene-nek először számba kellett vennie az ezekben a rendszerekben előforduló különböző típusú hibákat. A kvantumszámításban a hibáknak két kategóriája van: inkoherens és koherens hibák. Az inkoherens hibák véletlenszerű hibák, amelyek akkor is előfordulnak, amikor a kvantumszámítógép üresjáratban van, míg a koherens hibákat a rendszer tökéletlen irányítása okozza. A kvantumszámítógépekben gyakran a koherens hibák okozzák a rendszerpontatlanságokat; A kutatók matematikailag kimutatták, hogy a koherens hibák sokkal gyorsabban összetettek, mint az inkoherens hibák.

Hogy elkerülje a koherens hibák csúnya pontatlanságait, Greene ügyes taktikát alkalmazott: ezeket a hibákat inkoherens hibáknak álcázta. „Ha te [strategically] vezessenek be egy kis véletlenszerűséget a szupravezető áramkörökbe” – mondják, a koherens hibák ugyanolyan lassan bonyolódnak, mint az inkoherens hibák. Greene megjegyzi, hogy a területen más kutatók is különböző módon alkalmaznak véletlenszerűségi taktikát. Mindazonáltal Greene kutatásaikkal hozzájárul a pontosabb szupravezető kvantumszámítógépek előkészítéséhez.

A vízhigiénia javítása Pakisztánban

A kutatáson kívül Greene folyamatosan a tevékenységek forgatagában vesz részt, új hobbikkal bővíti, miközben gondosan eltávolítja a régieket, hogy helyet csináljon elfoglaltságában. Az évek során hobbijaik közé tartozik az üvegfúvás, az éneklés egy helyi queer kórusban és a versenyszerű sziklamászás. Jelenleg a hétvégéit lakásfelújítási projektekkel töltik partnerükkel a szivárványszínű szövetkezetben.

Az elmúlt másfél évben Greene víztisztítási projektekben is részt vett az MIT D-Lab óráin keresztül, egy projektalapú program, amelynek célja a világ szegény közösségeinek megsegítése. A D-Lab órákon való részvétel „olyasmi volt, amit mindig is szerettem volna elvégezni alsó tagozattól, de soha nem volt rá időm” – mondják. Végre be tudták illeszteni a D-Labot az órarendjükbe azáltal, hogy az órákat felhasználták a PhD követelményeik teljesítésére.

Az egyik projekthez olyan rendszert fejlesztenek ki, amely hatékonyan és olcsón kiszűri a pakisztáni vízkészletből a káros fluoridot. „Nem intuitív, hogy a fluor rossz, mert van fluor a fogkrémünkben” – mondják. „De valójában a túl sok fluor megváltoztatja a fogak és a csontok keménységét.” Az egyik ötlet, amelyet munkatársaikkal együtt vizsgálnak, egy vízszűrő rendszer kiépítése agyag felhasználásával, amely egy bevált, de olcsó fluoreltávolítási módszer.

Egy pakisztáni vendégprofesszor, aki a D-Lab osztályában vett részt, eredetileg a fluoridszűrési projektet javasolta. Amikor az óra véget ért, a professzor visszatért Pakisztánba, de továbbra is folytatta a projektet. Greene most virtuálisan együttműködik a professzorral, hogy segítsen kitalálni a legjobb agyagfajtát a fluor kiszűrésére. A D-Labbal szerzett tapasztalataik révén Greene úgy látja, hogy hosszú távon továbbra is önkéntesként vesz részt víztisztítási projektekben.

Greene azt tervezi, hogy idén decemberben fejezi be a doktori fokozatot. Az MIT-n eltöltött 12 év után Greene célja, hogy otthagyja az intézetet, és egy kvantumszámítástechnikai vállalatnál dolgozzon. „Nagyon jó idő a terepen lenni” az iparban – mondják. „A vállalatok kezdenek bővülni [quantum computing] technológia.”