Rozhovor: Význam izolace vibrací pro kvantové počítače

Izolace vibrací představuje výzvu v mnoha oblastech. Jednou z nich jsou i kvantové výpočty, na kterých závisí velká část současného světa – od počítačů a mobilních telefonů až po jumbo jety. Jak kvantové počítače fungují a proč je u nich důležité řešit izolaci vibrací? Na tato a další témata se zaměřilo TMC v rozhovoru s Brianem Keithem, aplikačním inženýrem ve společnosti TMC.

Představte se, prosím, našim čtenářům.

Jmenuji se Brian Keith a jsem aplikačním inženýrem ve společnosti TMC. Mám doktorát z fyziky na Clarkově univerzitě, kde jsem pracoval ve skupině pro nové magnetické materiály. V rámci studia jsem vytvářel kvantové antiferomagnety a testoval jejich magnetické vlastnosti, abych pomohl v hledání supravodivosti při pokojové teplotě, jednoho ze svatých grálů fyziky. Po dokončení postgraduálního studia jsem deset let pracoval v oboru kryogeniky a poslední dva roky pracuji v TMC.

Quera Quantum Computer. Image credit: QuEra Computing, Inc., www.quera.com / hpcwire.com

Jaká je základní myšlenka kvantové mechaniky, kterou využívají kvantové počítače?

Kvantové počítače využívají kvantovou mechaniku – mimořádně úspěšnou základní fyzikální teorii – která popisuje chování velmi malých objektů na úrovni atomů a menších částic. Podle této teorie nejsou malé objekty tvořeny pevnými částicemi (jako například kulečníkové koule), ale jsou v zásadě vlnové. Když se například podíváme na elektron, je přesnější si ho představit jako rozprostřený na malém prostoru, než že by měl konkrétní polohu.

Malé objekty tedy mají rozsah hybnosti, nikoliv definovanou hybnost ve tvaru vlny. Toto platí, dokud ji nezměříte. Když měříte kvantový objekt nebo s ním interagujete, objekt si náhodně vybere určitý stav a chová se spíše jako kulečníková koule nebo částice. Dokud není změřen, nachází se v superpozici svých možných stavů. Vše, co před měřením víme, je pravděpodobnost, že se částice nachází v jednom nebo jiném stavu, což je opravdu zvláštní myšlenka.

Proč bychom měli těmto podivným myšlenkám věřit?

Inu, 25 % světového HDP závisí na technologiích založených na využívání podivných myšlenek kvantové mechaniky. Bez kvantové mechaniky bychom neměli počítače, mobilní telefony, jumbo jety atd.

Jak můžeme spojit kvantovou mechaniku a počítače?

V běžných počítačích může být bit v daném okamžiku pouze v jednom stavu, buď 0, nebo 1. Kdybyste měli dva bity, mohly by číst 00, 01, 10 nebo 11. To jsou čtyři různé stavy; každý z nich může představovat číslo, řekněme 0, 1, 2 a 3. Pokud chcete provést nějaký výpočet, například odmocnit číslo, pak to počítač může provést vždy jen pro jeden z těchto stavů, takže by výpočet provedl čtyřikrát.

Kvantové počítače se však skládají z kvantově mechanických bitů, tzv. qubitů, které mají také dva stavy, 0 a 1, ale existují v superpozici těchto stavů. Pokud tedy máte dva qubity, existují v superpozici stavů 00, 01, 10 a 11. Když provedete stejný výpočet pro qubit a umocníte číslo, musíte výpočet provést pouze jednou, nikoliv čtyřikrát.

Pokud přidáte třetí qubit, můžete reprezentovat osm stavů jednou superpozicí. Pokud máte 20 qubitů, můžete reprezentovat milion stavů. Máte-li 300 qubitů, můžete reprezentovat více stavů než částic v pozorovatelném vesmíru.

Proč je pro kvantové počítače důležitá izolace vibrací?

Kvantové počítače mohou být velmi výkonné, ale jsou také velmi vybíravé. Qubity jsou v superpozici stavů, dokud na ně nepůsobí vnější svět. Interakce z okolního prostředí může být například magnetické pole generované výtahem v blízkosti kvantového počítače nebo světelným paprskem, náhodný teplotní výkyv v místnosti a nebo vibrace podlahy. Energie přenášená jakýmkoliv z těchto zdrojů může snadno způsobit kolaps qubitů, čímž se jejich vlnová povaha změní spíše na částicovou.

Jakmile se quibity stanou částicemi, nejsou již v superpozici stavů a stávají se z nich v podstatě jen bity jako u běžných počítačů. Tento problém se označuje jako problém koherence. Qubity plní svou funkci pouze tehdy, jsou-li koherentní, a právě koherentní jsou v případě, když jsou izolovány od vnějšího světa. Značná část inženýrského úsilí pro kvantové počítače spočívá ve snaze vytvořit prostředí, které je co nejvíce izolované od vlvů vnějšího světa.

Jaké strategie se používají k udržení izolace těchto počítačů od vnějšího prostředí?

Veškeré úsilí o vytvoření izolovaného prostředí se točí kolem kryogenní strategie. Existuje několik konkurenčních strategií pro udržení chladného a tichého prostředí, ale nejběžnější metodou je obklopení qubitového procesoru ředicí lednicí. Ředicí chladnička používá k chlazení prostředí kapalné helium. K dosažení teplot pod 1 stupeň Kelvina se používá speciální proces využívající zředěnou směs helia čtyři a vzácného izotopu helia tři. Pro srovnání, průměrná teplota ve vesmíru je asi 2,7 stupně Kelvina.

Velmi důležitým bodem však je, že helium je neobnovitelný zdroj. Když se uvolní ze Země, odpluje do vesmíru, kde se navždy ztratí, pokud se odtud znovu nezíská. Cena helia je velmi vysoká a americká vláda omezuje množství helia, které mohou instituce ročně nakoupit. Za litr helia 4 se platí 30 dolarů a za litr helia 3 přibližně 3000 dolarů. Téměř všechny dnešní ředicí chladničky jsou označovány jako suché. To znamená, že využívají skutečný chladicí cyklus jako lednice v běžné domácnosti.

Místo freonu je však chladivem helium a chladicí cyklus je velmi účinný, takže lze dosáhnout velmi nízkých teplot. Cyklus je nicméně poměrně násilný; vysokotlaký plyn se pohybuje přes opletené kovové potrubí a uvnitř chladničky se silou pohybuje píst. Tato činnost vede k nejvýznamnější nevýhodě těchto chladniček – do systému vnášejí obrovské množství vibrací.

Jak lze zjistit, zda chlazení způsobuje zhroucení qubitů?

Často se vibrace způsobené chladničkou oddělí od systému a odvedou se směrem k podlaze prostřednictvím pružných měchů. Podlaha pak vibruje, takže konstrukce chladničky, která je připevněna k zemi, bude stále podléhat odkloněným vibrací prostřednictvím samotné podlahy. Ve své laboratoři jsem viděl, že frekvence těchto vibrací mají obvykle vrcholy kolem 1hz, 30hz a 60hz, ale každý laboratorní prostor je jiný, takže průzkum vibrací podlahy může odhalit specifickou dynamiku celého systému.

Jaké jsou možnosti, které mohou pomoci tento problém zmírnit?

Pokud se v podlaze vyskytují nízkofrekvenční vibrace od 0,5 Hz do 100 Hz, může pomoci systém STACIS® Quiet Island společnosti TMC. STACIS Quiet Island se skládá z izolátorů STACIS, které podpírají na zakázku vyrobenou 4" silnou ocelovou plošinu s rozměry zvolenými pro konkrétní aplikaci. Izolátory STACIS zajišťují 87-96% snížení hluku v podlaze při frekvenci 1 Hz a více než 99% snížení hluku při frekvenci 2 Hz.

Sestava pro 3D renderování zvýšené podlahy. Zdroj: TMC Vibration Control

Pokud má podlaha vyšší frekvenci vibrací, můžeme spolu se vzduchovými izolátory s kardanovým pístem dodat optickou horní část z voštin, což je v podstatě kovová verze tesařského torzního boxu. Vzduchové izolátory fungují jako měkká pružina s rezonanční frekvencí 2 Hz. Nad touto rezonanční frekvencí zajišťuje izolaci.

Pokud nastavení neumožňuje oddělit chladničku od okolního prostředí, je možné zvážit použití tlumiče ElectroDamp. ElectroDamp využívá lineární motory, které působí silou přímo na chladničku a zamezují pohybu. Produktová řada MagNetX představuje neinvazivní řešení, které může v případě potřeby zajistit odrušení EMI v celé místnosti.

 Zdroj: TMC

Řešíte izolaci vibrací u své aplikace?

Neváhejte se na nás obrátit se svými dotazy a řešení na míru vaší aplikaci.