Kvantno računalo koje gradimo promijenit će svijet

Objava da Nobelova nagrada za fiziku pripada američkom fizičaru hrvatskog porijekla Johnu M. Martinisu, zajedno s Johnom Clarkeom i Michelom H. Devoretom, mnogima je izgledala kao priznanje jednoj tehnološkoj revoluciji koja se već neko vrijeme odvija gotovo neprimjetno. Za razliku od nekih dramatičnih znanstvenih otkrića iz prošlosti, razvoj kvantnog računarstva nije bio jedan spektakularni trenutak, nego spor i uporan proces u kojem su se desetljećima spajali teorijska fizika, eksperimentalna preciznost i napredni inženjering. Danas je jasno da je riječ o području koje istodobno pripada laboratoriju, temeljnoj znanosti i visokotehnološkoj industriji.

Grafički prikaz gustoće vjerojatnosti nalaženja čestice u prostoru

Kvantna mehanika, nekoć zamišljena kao gotovo filozofska disciplina puna paradoksa i misaonih eksperimenata, u 21. stoljeću postupno postaje operativna tehnologija. Pojmovi poput superpozicije i kvantne spregnutosti više nisu samo teme akademskih rasprava o prirodi stvarnosti, nego konkretni resursi koje istraživači pokušavaju stabilizirati i kontrolirati u supravodljivim sklopovima ohlađenima na temperature bliske apsolutnoj nuli. U tom prijelazu – iz apstraktne teorije u funkcionalni uređaj – Martinis je odigrao jednu od ključnih uloga.

Ideja kvantnog računala ima svoje korijene još u razmišljanjima Richarda Feynmana, koji je početkom osamdesetih godina primijetio da klasična računala teško simuliraju kvantne sustave. Broj mogućih kvantnih stanja raste eksponencijalno s brojem čestica, pa bi simulacija složenijih sustava zahtijevala nezamislivu količinu klasične memorije. Feynman je stoga predložio drukčiji pristup: izgraditi računala koja sama koriste kvantne zakone prirode. Temeljna jedinica takvog računala nije klasični bit nego kubit (qubit). Dok klasični bit može imati vrijednost 0 ili 1, kubit može istodobno postojati u superpoziciji tih dvaju stanja. Kada se više kubita međusobno kvantno spregne, njihov zajednički sustav opisuje jedinstveno kvantno stanje čiji broj mogućih konfiguracija raste eksponencijalno s brojem kubita. Već pedesetak kubita može opisivati više kvantnih stanja nego što ih klasično računalo može izravno pohraniti.

Upravo u toj neobičnoj matematičkoj strukturi leži potencijal kvantnog računarstva. Rad Johna M. Martinisa na supravodljivim kubitima pokazao je da takvi sustavi mogu postati skalabilne arhitekture sposobne izvoditi složene računske operacije. Kvantno računalo tako je iz teorijske mogućnosti počelo prelaziti u sferu inženjerske izvedivosti, iako je taj prijelaz zahtijevao desetljeća eksperimentalne preciznosti i razvoj sofisticiranih metoda za korekciju pogrešaka.

Izvor UC SANTA BARBARA/NEWSCOM/ PIXSELL

Simbolična prekretnica dogodila se 2019. kada je kvantni procesor Sycamore, razvijen u laboratoriju koji je vodio Martinis, izveo zadatak poznat kao uzorkovanje slučajnih kvantnih krugova. U tom eksperimentu sustav od nekoliko desetaka kubita generirao je kvantnu distribuciju rezultata koju je klasičnom računalu iznimno teško reproducirati. Prema tadašnjim procjenama istraživača, simulacija takvog procesa na najmoćnijim superračunalima trajala bi nerazmjerno dulje, i tisuću godina, dok je kvantni procesor račun završio za nekoliko minuta. Time je prvi put eksperimentalno demonstrirano ono što se naziva kvantna nadmoć – situacija u kojoj kvantni uređaj može izvršiti određeni zadatak izvan praktičnog dosega klasičnih računala.

Kvantna prednost posebno dolazi do izražaja u problemima optimizacije i pretraživanja velikih prostora mogućih rješenja. Kao ilustracija toga načela često se navodi rješavanje labirinta. Klasični algoritam mora redom istraživati moguće putove ili primjenjivati heuristike pretraživanja. Kvantni algoritam, u idealiziranom modelu, može sve moguće putanje postaviti u kvantnu superpoziciju. Interferencija kvantnih amplituda tada postupno pojačava vjerojatnost ispravnog puta, dok se pogrešni putevi poništavaju. Iako pojednostavljena, ta slika dobro ilustrira osnovnu logiku kvantnog računanja: rješenje se dobiva manipulacijom kvantnih amplituda, a ne linearnim pretraživanjem svih mogućnosti.

Vrijedi napomenuti da supravodljivi kubiti, kakve je razvijao Martinis, predstavljaju samo jedan od pristupa kvantnom računarstvu. Paralelno s tim razvija se i druga istraživačka linija koja pokušava ostvariti topološka kvantna računala, u kojima se kvantne informacije kodiraju u egzotičnim kvazičesticama poznatim kao anyons. U takvim sustavima informacije su pohranjene u topološkim svojstvima kvantnog sustava, što bi u načelu moglo pružiti veću otpornost na pogreške.

Implikacije takvih tehnologija nadilaze granice laboratorija. Kvantna računala mogla bi u budućnosti dramatično ubrzati simulacije molekula, razvoj novih materijala ili optimizaciju složenih logističkih sustava. Istodobno, ona bi mogla promijeniti i područje kriptografije, jer bi neki današnji sigurnosni protokoli postali ranjivi na dovoljno snažnim kvantnim računalima.

Posebno zanimljivo područje primjene jest umjetna inteligencija. Današnji sustavi umjetne inteligencije – osobito modeli dubokog učenja – zahtijevaju ogromne računalne resurse i rad s velikim skupovima podataka. Kvantna računala mogla bi ubrzati neke od ključnih matematičkih operacija koje se pojavljuju u treniranju takvih modela, osobito u problemima optimizacije i manipulacije velikim matricama. Zbog toga mnogi istraživači govore o budućem spoju kvantnog računalstva i umjetne inteligencije, tzv. quantum machine learning, kao području koje bi moglo otvoriti novu generaciju računalnih sustava znatno većih performansi od današnjih.

Za hrvatsku kulturnu i znanstvenu javnost ekskluzivni razgovor s Martinisom u Vijencu ima dodatnu dimenziju. On podsjeća da temeljna znanost nije luksuz, nego dugoročno ulaganje u razumijevanje i oblikovanje svijeta. Kvantno računalo nije samo brži stroj; ono je primjer kako teorijska fizika, čak i kada se čini udaljenom od svakodnevice, može postati temelj nove tehnološke paradigme. U razgovoru koji slijedi John M. Martinis govori ne samo o tehničkim izazovima gradnje kvantnog računala, nego i o granicama znanja, ulozi mladih istraživača i važnosti međunarodne suradnje.

Kada je Max Planck početkom 20. stoljeća uveo ideju kvanta energije, teško je mogao zamisliti da će ta teorijska pretpostavka jednoga dana postati temelj nove računalne tehnologije. Radovi Erwina Schrödingera i Wernera Heisenberga oblikovali su matematički okvir kvantne teorije, a današnje generacije istraživača počinju te ideje pretvarati u konkretne strojeve. U tom dugom luku – od apstraktne teorije do kvantnog procesora – možda se najbolje vidi kako temeljna znanost, ponekad desetljećima ili stoljećima nakon svog nastanka, postupno prerasta u tehnologiju koja mijenja svijet.

(Miroslav Dorešić, teorijski fizičar)

*

Vaš rad na supravodljivim kubitima snažno je obilježio razvoj kvantnog računarstva tijekom posljednjih dvaju desetljeća. Gledajući unatrag, što danas smatrate ključnom prekretnicom u tom razvoju?

To je zanimljivo pitanje. Mnogo je ljudi pridonijelo ovom području i mislim da je razlog zašto se ono tako dobro razvijalo to što je velik broj vrlo pametnih istraživača radio na tim problemima. U praksi su različite skupine istraživale različite ideje i pristupe. Svatko je radio na svoj način i pokušavao pomaknuti granice područja. Zbog toga smo istražili mnogo različitih mogućnosti, što je uvelike pomoglo razvoju tog polja.

Jedna važna prekretnica za mene bio je eksperiment iz moje doktorske disertacije, u kojem smo pokazali da se kvantno ponašanje može pojaviti u makroskopskim električnim krugovima. Drugim riječima, pokazali smo da električni krugovi mogu slijediti zakone kvantne mehanike. Taj je rezultat pomogao postaviti temelje za razvoj ovog područja i otvorio novi način stvaranja kvantnih sustava. Budući da se klasična računala grade od električnih krugova, bilo je prilično prirodno razmišljati o izgradnji kvantnih računala na sličan način.

Nakon mog disertacijskog eksperimenta uslijedilo je razdoblje od otprilike deset godina tijekom kojeg smo ja i mnogi drugi istraživači proučavali fiziku tih kvantnih uređaja i pokušavali razumjeti kako oni funkcioniraju. Kasnije, kada je koncept kvantnog računarstva postao jasniji i kada su se pojavila sredstva za istraživanje – osobito u Sjedinjenim Američkim Državama krajem 1990-ih – mnogi od nas počeli su ozbiljno raditi na izgradnji kubita. To je bila još jedna važna prekretnica.

Jedan eksperiment koji bih želio spomenuti proveden je na Sveučilištu u Kalifornij u Santa Barbari. Ondje smo gradili supravodljive kubite i u suradnji s kolegama izveli eksperiment u kojem smo generirali takozvana proizvoljna fotonska stanja (arbitrary photon states). U tom smo eksperimentu izgradili mikrovalni rezonantni krug i stvorili kontrolirana kvantna stanja koja su sadržavala do pet ili šest fotona. Napravili smo vrlo jednostavan proračun koji opisuje kubit i njegovu spregu s drugim elementima sustava. Sama kalibracija bila je relativno jednostavna. Na temelju te kalibracije mogli smo zatim primijeniti protokol kojim smo generirali vrlo složena kvantna stanja.

Kada pogledate rezultate, najprije usporedite teorijsku sliku toga kako bi kvantno stanje trebalo izgledati s eksperimentalno izmjerenim stanjem. Ta su dva prikaza vrlo slična. Eksperiment se iznimno dobro slagao s teorijskim predviđanjima. Za mene je najvažnija poruka tog eksperimenta bila da možemo vrlo precizno kalibrirati i kontrolirati supravodljive kubite. To je značilo da možemo generirati kvantna stanja koja su mnogo složenija od samog postupka kalibracije. Drugim riječima, mogli smo provoditi vrlo složene operacije jednostavno slijedeći ono što teorija predviđa i zatim to eksperimentalno ostvariti.

U tom trenutku eksperimentalni rezultati izgledali su toliko dobro da sam počeo vjerovati kako bi kvantno računalo doista moglo biti moguće. To je sugeriralo da možemo izgraditi potrebne sustave upravljanja i tehničku infrastrukturu kako bi takvi uređaji pouzdano radili.

Jedan od najvažnijih rezultata, koji je na neki način predstavljao vrhunac prve faze moje karijere, dogodio se kasnije kada je moja skupina u Googleu izvela ono što je postalo poznato kao eksperiment kvantne nadmoći (quantum supremacy). U tom smo eksperimentu pokrenuli algoritam na procesoru s 53 kubita. Kvantni procesor prikupio je podatke u nekoliko sati, dok bi izvođenje iste računice na klasičnom računalu trajalo danima ili čak dulje – a u nekim slučajevima rezultat se ne bi ni mogao provjeriti.

Time smo ušli u ono što se naziva režim kvantne nadmoći, u kojem kvantni uređaj može izvesti određeni proračun brže od klasičnog računala. To je bila važna demonstracija da kvantna računala doista mogu imati računalnu snagu koja nadilazi klasične strojeve. Znanstvenici su takvu mogućnost predviđali već dugo vremena, iako je konkretan zadatak koji smo izveli bio donekle specijaliziran i matematički apstraktan. Ipak, eksperiment je jasno pokazao osnovno načelo.

Za mene je osobito važna bila analiza pogrešaka u tom proračunu. Pogreške su, naravno, postojale jer fizički kubiti još uvijek nisu savršeni. Međutim, pogreške koje smo izmjerili vrlo su se dobro slagale s onima koje smo očekivali na temelju poznatih pogrešaka pojedinačnih kubita. To je bilo važno jer je pokazalo da ne postoje dodatni, nepoznati mehanizmi pogrešaka ili dekoherencije koje nismo predvidjeli. Naravno, istraživači će i dalje proučavati takve mogućnosti, ali rezultati su nam dali veliko povjerenje da se sustav ponaša onako kako teorija predviđa.

Sve u svemu, to je bila vrlo važna demonstracija da je izgradnja kvantnog računala doista moguća i da se s takvim uređajima mogu izvoditi stvarni proračuni.

Očito je vrlo važno da se eksperimentalni rezultati podudaraju s teorijskim očekivanjima. Istaknuli ste da je jedno od ključnih pitanja i skalabilnost. Počeli ste s nekoliko kubita, a zatim sustav povećali na mnogo kubita. I pritom niste pronašli nikakve dodatne izvore pogrešaka koje bi trebalo ispraviti.

Tako je. Uspjeli smo povećati sustav na umjeren broj kubita – dovoljno velik da se može izvesti prilično složen proračun. I pritom nismo uočili nikakve nove mehanizme pogrešaka osim onih koje smo već razumjeli. To je bio vrlo pozitivan rezultat jer je pokazao da bi izgradnja većih sustava trebala biti izvediva.

Govorili ste o tome da je dugo vremena kvantno računalo postojalo uglavnom kao teorijska mogućnost – gotovo poput misaonog eksperimenta. U kojem je trenutku postalo jasno da bi ono moglo postati stvarna tehnologija, sposobna prijeći iz laboratorija u stvarni svijet?

Kada sam se prvi put upoznao s kvantnim računarstvom, ono je doista bilo uglavnom teorijski koncept. Rane su ideje pretpostavljale da su kubiti savršeni. Zatim je početkom 1990-ih Peter Shor predstavio ideju kvantne korekcije pogrešaka. Tada je postalo jasno – barem u teoriji – da je moguće izgraditi stvarni fizički sustav koji bi mogao provoditi pouzdane kvantne proračune. No ključno je pitanje ostalo: kako točno takav sustav izgraditi u praksi?

Za mene je važan preokret bio kada sam upoznao ideju surface codea – jednog pristupa kvantnoj korekciji pogrešaka. S tim sam se idejama susreo krajem 2000-ih, ponajprije zahvaljujući radu Austina Fowlera, s kojim smo kasnije i surađivali.

Bila je to specifična implementacija takozvanog surface codea (površinskog koda) i za mene je bila iznimno korisna jer je pružila vrlo jasan način kako dalje postupiti. Ideja se temeljila na jednostavnoj geometriji: kvadratnom rasporedu kubita. Austin Fowler pomogao nam je razumjeti teorijske aspekte, pa smo mogli prilično jasno shvatiti kako bi sustav trebao funkcionirati. Kada smo to razumjeli, napisali smo rad u kojem smo taj koncept objasnili na jasan način. Prije toga mnogi su radovi u tom području bili prilično teško razumljivi – gotovo kao čitanje radova iz teorije struna. Mnogim je čitateljima bilo teško pratiti argumentaciju. Kad smo pisali naš rad, svjesno smo nastojali da bude razumljiv i studentu poslijediplomskog studija. Vjerujem da je to jedan od razloga zašto je rad postao vrlo često citiran i široko prihvaćen. Mnogi su istraživači smatrali da im je koristan jer su ideje u njemu bile izložene jasno i pristupačno.

Zapravo mislim da je taj rad čak utjecao i na planiranje istraživanja u nekim financijskim agencijama i laboratorijima, jer su ljudi napokon mogli razumjeti kako taj pristup funkcionira.

U tom trenutku znao sam što trebamo izgraditi, kako to trebamo izgraditi i koliko dobri kubiti moraju biti. Od tada sam se uglavnom usredotočio na realizaciju te arhitekture. U svojoj sam glavi mogao zamisliti da bi takav sustav mogao biti izgrađen. Naravno, to nije bilo lako – prošlo je mnogo godina od tada – ali činilo se izvedivim. Prije toga zapravo nisam imao jasnu sliku o tome što točno trebamo izgraditi. Nakon što smo razumjeli surface code, sve je postalo mnogo jasnije.

Intrigantna je ta poanta. U biti ste ideju učinili mnogo razumljivijom široj publici, a to je pomoglo da se cijelo područje brže razvija.

Da, upravo tako. Rad je u osnovi bio pregledni rad. Jasno je objašnjavao koncepte i pokazivao kako funkcionira kvantna korekcija pogrešaka. Uspjeli smo izvesti pragove korekcije pogrešaka i povezane formule koristeći relativno jednostavne argumente teorije vjerojatnosti – gotovo na razini srednjoškolske matematike. Time su osnovne ideje postale vrlo pristupačne mnogim istraživačima.

Taj mi se pristup jako svidio jer je rad razjašnjavao što se zapravo fizički događa. Postao je vrlo često citiran i imao je velik utjecaj na razvoj područja. Na neki način, to je nešto što sam pokušavao raditi tijekom cijele svoje karijere. Kao student čitao sam Feynmanova predavanja iz fizike i divio sam se načinu na koji je Richard Feynman mogao objasniti vrlo složene ideje na sažet i razumljiv način. Tim sam radom pokušao slijediti sličnu filozofiju.

Mislim da je važno da znanstvenici ostanu otvoreni i slušaju različite perspektive / Ono što je zanimljivo kod kvantnog računarstva jest da ponovno vraća fokus na hardver i temeljnu fiziku / Ponekad vas najteži trenuci u karijeri potaknu da promijenite smjer, prihvatite rizik i pokušate nešto novo

Vaš doprinos supravodljivim krugovima često se opisuje kao most između temeljne kvantne fizike i praktičnog inženjerstva. Koliko je u ovom području važna ravnoteža između teorije i eksperimenta?

To je vrlo važno pitanje. Kada smo radili eksperimente za moju doktorsku disertaciju – a kasnije i za rad koji je na kraju doveo do Nobelove nagrade – već su postojali neki raniji eksperimenti. Međutim, područje je još uvijek bilo pomalo nejasno i nedovoljno shvaćeno. Počeli smo neke stvari razumijevati na vrlo praktičan način. Naprimjer, shvatili smo da električne vodove treba pažljivo filtrirati. Inače bi toplinski šum s viših temperatura potpuno poništio kvantne učinke. Projektiranje takvih filtara bilo je u velikoj mjeri eksperimentalni izazov.

Istodobno smo shvatili da su to zapravo mikrovalni eksperimenti. Kubiti rade na frekvencijama oko pet gigaherca, što su zapravo frekvencije slične današnjim frekvencijama mobilnih telefona. U to je vrijeme, međutim, to bilo prilično neobično. To je značilo da treba spojiti dva područja: mikrovalno inženjerstvo i kvantnu mehaniku. Na neki smo način spajali mikrovalno inženjerstvo s kvantnom fizikom, a pokazalo se da je ta kombinacija iznimno snažna. Kada smo razumjeli taj teorijski okvir, on nam je pokazao kako treba dizajnirati eksperimente. Zahvaljujući tome mogli smo izgraditi sustave koji su pouzdano radili.

Možda je još važnije to što je takav pristup dao čvrste temelje zajednici za izgradnju složenijih kvantnih uređaja. Kada su se kubiti počeli sustavnije razvijati, istraživači su već imali osnovni intelektualni okvir koji im je pomogao u daljnjem napretku. Naravno, tijekom godina mnogi su ljudi pridonijeli tom napretku. No bilo mi je veliko zadovoljstvo raditi zajedno s istraživačima poput Michela Devoreta i Johna Clarkea kako bismo razjasnili osnovnu fiziku tih sustava. I to je jedan od najuzbudljivijih aspekata znanosti: kada radite nešto novo, imate priliku otkriti temeljne ideje.

Dakle, u određenom je smislu taj pristup pokrenuo cijelo područje – spajanjem inženjerstva i fizike na pravi način, i praktično i teorijski.

Da, upravo tako. Jedan od eksperimenata koje sam izveo tijekom svog poslijedoktorskog rada proizašao je iz pokušaja da se kvantna mehanika opiše svojevrsnim jezikom elektrotehnike te da se razumije što to zapravo znači u praksi.

Vrlo zanimljivo. Sljedeće pitanje odnosi se na pojam „kvantne nadmoći“ (quantum supremacy). Taj se izraz često koristi u javnim raspravama. Smatrate li da je taj pojam prikladan ili je više riječ o medijskom pojednostavljenju složenog znanstvenog procesa?

Pokazalo se da neki ljudi ne vole riječ nadmoć jer je povezuju s izrazima poput bijele nadmoći. Ta je reakcija uglavnom povezana s političkim raspravama u Sjedinjenim Američkim Državama i širim društvenim kontekstom posljednjih godina. Izvorno je, međutim, taj koncept uveo John Preskill. Njegova je ideja bila da bi bilo važno pokazati kako kvantno računalo može izvesti neki zadatak brže ili bolje od klasičnog računala. On je taj koncept definirao prilično precizno u matematičkom smislu i nazvao ga kvantna nadmoć.

Što se mene tiče, jednostavno sam koristio izraz koji je on uveo. Osobno nastojim ne ulaziti previše u političke rasprave oko terminologije. Neki ljudi preferiraju druge izraze i to je u redu.

Danas mnogi istraživači koriste izraz kvantna prednost (quantum advantage), što je također sasvim prihvatljivo. No ta dva izraza imaju malo drugačije značenje. Prednost sugerira da je nešto malo bolje, dok nadmoć sugerira da je nešto znatno bolje. Ako je kvantno računalo doista mnogo moćnije od klasičnoga za određene zadatke, tada snažniji izraz ima smisla. No u praksi je najvažniji sam koncept. Nadam se da ćemo s vremenom prijeći preko rasprava o terminologiji.

Da, ovdje sigurno postoji i određeni element odnosa s javnošću.

Tako je. No dodao bih da već postoje moguće primjene u kojima kvantno računarstvo može imati samo malu prednost u odnosu na klasične metode. Čak i mala prednost u nekim problemima može imati veliku ekonomsku vrijednost. U tom smislu pojam kvantne prednosti također može biti vrlo značajan.

Šira javnost često zamišlja kvantno računalo jednostavno kao vrlo brzo klasično računalo. No koja je temeljna razlika – ne samo tehnička nego i konceptualna – između klasičnog i kvantnog računala?

Kvantno računalo nije samo brža verzija klasičnog računala. Ono djeluje na potpuno drukčiji način. Ideja je da možete pokrenuti kvantni algoritam koji daje rezultat koji bi bilo nemoguće ili vrlo neučinkovito dobiti klasičnim računanjem. U klasičnom računanju informacije se pohranjuju u bitovima, koji mogu imati vrijednost 0 ili 1. Kombiniranjem bitova dobivaju se riječi ili brojevi koji predstavljaju podatke, a računske operacije izvode se pomoću logičkih vrata poput NOT, AND i sličnih.

Kvantno računarstvo, međutim, koristi kubite, a skup mogućih operacija mnogo je bogatiji od klasične Booleove logike. Primjerice, u kvantnoj mehanici stanje |0⟩ može se transformirati u superpoziciju stanja |0⟩ i |1⟩. To znači da sustav može predstavljati obje mogućnosti istodobno. Za jedan kubit to ne donosi veliku prednost. No kada imate mnogo kubita, broj mogućih stanja raste eksponencijalno – otprilike kao 2 na potenciju broja kubita. To omogućuje svojevrsni masivni paralelizam u računanju.

Ključna je ideja da kvantna mehanika daje prošireni skup operacija koje priroda dopušta. Koristeći taj bogatiji skup operacija, možemo konstruirati algoritme koje nije moguće učinkovito provesti klasičnom logikom. Naravno, ne postaje svaki klasični algoritam brži na kvantnom računalu. Samo određene vrste problema imaju korist od kvantnih algoritama. No kada teoretičari osmisle pravi algoritam – a teoretičari su u tome vrlo dobri – tada se neki problemi mogu riješiti mnogo brže nego klasičnim metodama.

Zanimljiva je ideja da nam sama priroda daje nešto više od klasičnih bitova. Naravno, kvantna mehanika za većinu ljudi djeluje vrlo neintuitivno. Čak je i fizičarima potrebno vrijeme da se naviknu na te koncepte.

Možemo uzeti osnovne zakone kvantne mehanike i idealizirati ih u obliku kubita. Kada jednom razumijemo te zakone, možemo ih primijeniti za izgradnju računala. Naravno, to uopće nije bilo očito još 1980-ih godina kada su ljudi počeli govoriti o tim idejama. Trebalo je mnogo vremena da istraživači postupno shvate kako to u praksi ostvariti.

U kolikoj su mjeri pojave poput superpozicije i spregnutosti (entanglement) doista operativni resursi, a u kolikoj mjeri i dalje predstavljaju izazov u pogledu stabilnosti i korekcije pogrešaka?

Superpozicija i spregnutost pojmovi su iz fizike koji široj javnosti zvuče vrlo tajanstveno. S gledišta fizike, superpoziciju sam zapravo već objasnio kada sam govorio o proširenom skupu operacija u kvantnom računanju. Naprimjer, stanje |0⟩ može se transformirati u stanje superpozicije |0⟩ + |1⟩. Takva je operacija temeljna kada se provode kvantni proračuni. Ona je jedan od ključnih elemenata koji omogućuju kvantnim algoritmima da funkcioniraju.

Pojam spregnutosti (entanglement), međutim, mnogo je suptilniji. Riječ je o svojstvu kvantne mehanike koje se čini vrlo neobičnim. Ako pogledate, primjerice, Bellove nejednakosti, vidjet ćete koliko je taj fenomen zapravo neobičan i zanimljiv.

Ipak, kada govorim o kvantnom računanju, često nastojim ne isticati previše ono što ponekad u šali nazivam „riječju na E“, jer je to stručni izraz koji većina ljudi zapravo ne razumije, pa sve može zvučati nepotrebno misteriozno.

U praktičnom smislu, spregnutost često jednostavno znači da međusobno spajate kubite na određeni način. Kada to učinite, možete stvoriti vrlo složena kvantna stanja koja se više ne mogu opisati kao svojstva pojedinih kubita zasebno. Sustav tada djeluje kao jedinstvena cjelina.

U klasičnom računanju možete to usporediti s logičkim vratima koja djeluju na dva bita. Kada dva bita međusobno djeluju kroz takva vrata, nastaje složenije stanje koje se zatim može koristiti u daljnjem računanju. U kvantnom računanju događa se nešto slično, iako su operacije drukčije. U stvari, analogija je bliža XOR-vratima nego AND-vratima. U svakom slučaju riječ je o proširenom skupu operacija koje sustav može izvoditi.

Postoje i suptilnosti povezane s mjerenjem. Kada izmjerite kvantno stanje, ono kolabira u određeni ishod. Mjerenje je nužan dio kvantnog računanja jer nam omogućuje da na kraju dobijemo rezultat proračuna. Međutim, ulazak u sve te detalje ne pomaže uvijek široj javnosti da bolje razumije kako kvantna računala zapravo funkcioniraju.

Intrigantna je ideja razmišljanja o kvantnom računanju kao o proširenom skupu operacija.

Da. Važno je napomenuti da na kraju kvantnog proračuna morate izmjeriti kvantno stanje. U klasičnom računalu to je vrlo jednostavno – jednostavno očitate napone na žicama. U kvantnom računanju to je nešto složenije. Tu se ponovno na suptilan način pojavljuje pojam spregnutosti. Kvantno računalo ima skup operacija koji djeluje na više kubita, ali također ima i posebne operacije mjerenja.

Na neki je način spregnutost povezana i s načinom na koji kubiti međusobno djeluju kroz operacije i s načinom na koji mjerenje utječe na kvantno stanje. Kada se ti elementi pravilno kombiniraju, dobiva se puni kvantni opis sustava. Ali opet, riječ je o prilično složenom konceptu.

Koliko je realno očekivati da će kvantna računala u skoroj budućnosti moći rješavati probleme u kemiji, znanosti o materijalima ili kriptografiji koji su danas izvan dosega klasičnih računala? U svojim ranijim podcastima i intervjuima govorili ste o kriptografskim sustavima i mogućnosti da kvantna računala jednog dana razbiju postojeće metode šifriranja. Rekli ste da ćemo u tom slučaju jednostavno razviti nove kriptografske sustave.

Tako je. Primjerice, ako kvantno računalo može učinkovito faktorizirati vrlo velike brojeve, tada bi moglo razbiti današnji RSA standard šifriranja koji se široko koristi na internetu.

Međutim, treba imati na umu da su se kriptografski sustavi uvijek razvijali i mijenjali kroz povijest. Ako pogledate povijest kriptografije, metode šifriranja redovito se zamjenjuju novima i poboljšavaju. Dakle, ako jednoga dana kvantna računala doista budu mogla razbiti postojeće sustave, to će jednostavno značiti da ćemo prijeći na nove kriptografske standarde.

Zapravo i nije iznenađenje da ljudi za taj problem znaju već dugo i da na njemu rade. Postoje programi u državnim laboratorijima koji imaju za cilj razviti bolje kriptografske protokole. Mnogi od njih već postoje. Istraživači su ih testirali, a razvijen je i novi hardver te novi protokoli za njihovu primjenu.

John M. Martinis na dodjeli Nobelove nagrade za fiziku 10. prosinca 2025. u Stockholmu / Snimio Stella Pictures / ABACA / PIXSELL

Neke od tih tehnologija već se koriste. Po mom mišljenju, samo je pitanje vremena kada će svi prijeći na te nove sustave. Zapravo, neke velike kompanije već ih uvode kako bi bile kompatibilne s budućim tehnologijama. Također se razvija i hardver koji podržava takve protokole. Naravno, potrebno je još analiza. Ne bih rekao da je problem potpuno riješen, jer ljudi i dalje moraju o tome razmišljati i pripremati se. No već je učinjeno mnogo posla kako bi se osiguralo da naši sustavi u budućnosti ostanu sigurni.

A što je s drugim područjima – primjerice robotikom, znanošću o materijalima ili kemijom? Imate li osjećaj kako bi kvantno računarstvo moglo ubrzati napredak u tim područjima?

Kao fizičara prirodno me posebno zanimaju kvantna kemija i kvantni materijali. Da bismo doista razumjeli molekule, materijale i poluvodičke uređaje, već sada moramo koristiti kvantnu mehaniku. To se radi već dugo vremena, a istraživači koriste vrlo sofisticirane računalne programe na klasičnim računalima kako bi proučavali takve sustave.

Prirodna je ideja pokušati preslikati kvant­nu mehaniku prirode izravno na kubite. Tijekom godina istraživači su uspjeli razviti metode za to. Nije jednostavno, ali napredak je postignut i siguran sam da će se to s vremenom dodatno poboljšati. Za mene je to jedna od velikih potencijalnih primjena kvantnog računarstva, jer želimo biti bolji u dizajniranju novih materijala.

Jedan jednostavan primjer jesu magnetski materijali s rijetkim zemnim elementima, koji se koriste u električnim motorima. Kako pokušavamo elektrificirati promet i mnoge druge tehnologije, opskrbni lanac tih materijala postaje skup i ponekad nesiguran. Kad bismo mogli koristiti kvantna računala za ­dizajn sličnih magneta izrađenih od dostupnijih materijala, takve bi tehnologije mogle postati jeftinije i dostupnije. To bi također moglo učiniti proizvodnju ekološki prihvatljivijom.

Danas već koristimo računala kao alate za projektiranje. Ja ih koristim pri dizajniranju elektroničkih sklopova, a i u svakodnevnom životu – primjerice kada smo moja supruga i ja preuređivali kuhinju, koristili smo računalne alate kako bismo isplanirali izgled. Računala su izvanredno snažni inženjerski alati. Ako bismo ih mogli primijeniti izravno na temeljnu kvantnu mehaniku materijala, to bi moglo imati ogroman učinak.

U konačnici bi otkrivanje novih materijala i poboljšavanje proizvodnih procesa uz pomoć kvantnih računala moglo imati velik utjecaj na svijet. Već samo zbog te primjene smatram da se itekako isplati da cijela znanstvena zajednica radi na izgradnji kvantnih računala.

Naravno, postoje i druge moguće primjene – optimizacijski problemi, povezivanje s umjetnom inteligencijom i strojnim učenjem i sl. Neka od tih područja možda će čak postati i veća tržišta. No osobno mi se primjene u znanosti o materijalima čine posebno uzbudljivima.

Da, sigurno postoje i druga područja u kojima ćemo tek otkriti nove primjene. Sljedeće pitanje odnosi se na vremenski okvir razvoja. U kojoj smo fazi danas? Jesmo li još uvijek u eksperimentalnoj fazi, u predindustrijskoj fazi ili smo već na početku industrijske faze? Drugim riječima, koliko će po vašem mišljenju trebati vremena da dobijemo zaista praktično kvantno računalo?

U temeljna istraživanja kvantnog računarstva uključen sam već oko četrdeset godina. Eksperiment kvantne nadmoći bio je važna prekretnica jer je potaknuo ljude da počnu ozbiljno razmišljati o izgradnji strojeva koji bi mogli raditi nešto stvarno korisno.

Danas istraživači i tvrtke aktivno pokušavaju izgraditi praktična kvantna računala. Već postoje određene tvrdnje da se s postojećim uređajima mogu rješavati pojedini problemi. Može se raspravljati o tome koliko su takve primjene doista korisne i mogu li klasična računala još uvijek u nekim slučajevima biti učinkovitija. No svakako smo u fazi u kojoj ljudi vrlo intenzivno rade na tome da kvantna računala postanu praktično upotrebljiva. U ovom trenutku već imamo kvantne procesore s nekoliko stotina kubita, a s takvim sustavima mogu se izvoditi zanimljivi eksperimenti.

Ono što me najviše zanima jest izgradnja kvantnog računala s oko milijun fizičkih kubita, u kojem će biti ugrađena potpuna korekcija pogrešaka, tako da postane računalo opće namjene, slično klasičnim računalima koja danas koristimo. Upravo je to glavni fokus rada kojim se sada bavim. Da bi se to postiglo, potrebno je mnogo rada, osobito u smislu industrijalizacije i inženjeringa. Još uvijek ima temeljne znanosti koju treba otkriti, ali također postoji i velika količina inženjerskog rada koji treba obaviti.

U mojoj tvrtki posebno se bavimo pitanjem proizvodnje. U tvrtki Qolab radimo na supravodljivim kubitima i vrlo ozbiljno razmišljamo o tome kako proizvoditi kubite i njihove upravljačke sustave na dobro inženjerski osmišljen način koji može smanjiti troškove i poboljšati performanse.

Naš osnovni pristup jest suradnja s industrijom poluvodiča, koja već ima ogromno iskustvo u proizvodnim tehnologijama poput silicija i CMOS tranzistora koji se koriste za izradu procesora, grafičkih procesora i drugih složenih uređaja. Nadamo se da ćemo učinkovitije graditi kvantne sustave iskorištavanjem te postojeće tehnologije. Naravno, i druge skupine rade u tom smjeru, ali mi stavljamo poseban naglasak na proizvodni aspekt.

Dakle, fokus se sada pomiče prema industrijskoj proizvodnji.

Upravo tako. Danas se mnogo govori o ubrzavanju razvoja kvantnih računala, a neki smatraju da bi se kvantno računalo opće namjene moglo pojaviti u sljedećih pet do deset godina. Osobno mislim da su neke od tih procjena možda pomalo optimistične. No i naša tvrtka ima isti cilj i mi smo također optimistični. Vidjet ćemo kako će se stvari razvijati.

Moja je procjena da bi to moglo biti nešto teže nego što mnogi očekuju, ponajprije zbog velikih izazova u proizvodnji. Upravo zato sada radimo na tim problemima, s idejom da bismo u sljedećih pet do deset godina mogli izgraditi nešto zaista značajno.

Ovaj vremenski okvir ima i posljedice za sigurnost interneta. Ako kvantna računala u budućnosti budu mogla razbijati RSA enkripciju faktorizacijom velikih brojeva, tada ćemo u sljedećih pet do deset godina – ili možda i ranije – morati prijeći na kriptografske standarde otporne na kvantna računala. Mnogi ljudi u tom području već govore o tome. To nije nešto što moramo riješiti odmah sutra, ali je svakako nešto za što se moramo početi pripremati.

Naprimjer, Sundar Pichai, izvršni direktor Googlea, spominje vremenski okvir od tri do pet godina. Naravno, kao direktor Googlea vjerojatno mora govoriti o kraćem roku – ako se pokaže da je pogriješio, to bi moglo predstavljati problem. U tom smislu moja procjena nije nespojiva s njegovom, iako je njegova, naravno, optimističnija.

Poanta je da je sigurnost interneta pitanje o kojem moramo ozbiljno razmišljati. Pred nama je još mnogo posla. Osobno mislim da će napredak biti nešto sporiji nego što najoptimističnije prognoze sugeriraju, ali istraživači su vrlo kreativni, pa ćemo vidjeti kako će se stvari razvijati.

Kvantna mehanika već više od stoljeća potiče filozofske rasprave o prirodi stvarnosti. Utječe li rad na kvantnim računalima na vaše osobno razumijevanje kvantne teorije?

Postoji skupina fizičara koja smatra da jednostavno imamo formalizam kvantne mehanike, koristimo njegove zakone i na temelju njih možemo predviđati rezultate. U tom pristupu nema potrebe za prevelikim filozofskim raspravama. U određenoj mjeri i sam dijelim taj stav. Međutim, zanimljivo je da je moj doktorski eksperiment – koji je kasnije povezan s Nobelovom nagradom – zapravo bio motiviran jednim temeljnim filozofskim pitanjem.

Anthony Leggett predložio je zanimljivu ideju povezanu s poznatim misaonim eksperimentom Schrödingerove mačke. Taj paradoks sugerira da bi makroskopski objekt, poput mačke, mogao postojati u superpoziciji kvantnih stanja. Leggett je postavio vrlo jednostavno pitanje: kakav zapravo eksperimentalni dokaz imamo da takve makroskopske superpozicije mogu postojati? Predložio je da bi supravodljivi sustavi mogli omogućiti eksperimentalno testiranje te ideje. Upravo je ta ideja motivirala eksperimente koje smo kasnije proveli.

Naši su rezultati pokazali da makroskopski sustavi u načelu mogu pokazivati kvantno ponašanje, iako je za to potrebno stvoriti vrlo posebne uvjete. Zanimljivo je da je jedno filozofsko pitanje o temeljima kvantne mehanike na kraju dovelo do razvoja potpuno nove klase kvantnih uređaja.

Dakle, vraćajući se na vaše pitanje: mislim da su takva filozofska pitanja doista važna. Pitanje stvarnosti valne funkcije i interpretacije kvantne mehanike nešto je o čemu će fizičari još dugo razmišljati. Ono što mi je pomoglo u svemu tome jest činjenica da je najteži dio kvantne mehanike upravo to što je vrlo teško izvoditi eksperimente i izravno vidjeti kako kvantna mehanika djeluje.

U klasičnoj mehanici stvari je mnogo lakše zamisliti. Možete ispustiti loptu, promatrati električni krug, mjeriti napone i s vremenom vaš se um navikne na te koncepte. Naravno, moguće ih je i pogrešno razumjeti, ali kada vidite matematički opis, možete ga povezati s eksperimentom i tada ideje postaju intuitivnije.

U mom slučaju, budući da izvodim kvantne eksperimente koji su vrlo čisti i dobro kontrolirani, odgovori koje daje kvantna mehanika počinju mi se činiti prirodnima. Ti se zakoni jednostavno internaliziraju kroz eksperiment. Zbog toga za mene kvantna mehanika postaje manje filozofsko pitanje, jer jednostavno vidim prirodu kako se ponaša prema tim zakonima.

Je li istina da je Anthony Leggett jednom tvrdio ili se kladio da makroskopsku superpoziciju – ili pojave poput supravodljivosti u tom kontekstu – možda uopće neće biti moguće ostvariti?

Nisam siguran je li postojala neka formalna oklada; tu priču ne poznajem. No znam da je on to pitanje shvaćao vrlo ozbiljno. Leggett je razmatrao mogućnost da makroskopska kvantna superpozicija možda ipak ne postoji na način kako to predviđa kvantna mehanika. On je to pitanje postavio vrlo ozbiljno i promišljeno, i ja sam to jako cijenio. Upravo nas je njegova ozbiljnost potaknula da problem istražimo pažljivo, svjesni da unaprijed ne znamo odgovor.

Zato smo osmislili eksperiment u kojem smo vrlo pažljivo izmjerili sve relevantne parametre i provjerili sve moguće čimbenike. Na taj smo način mogli donijeti jasan zaključak u jednom ili drugom smjeru.

U to je vrijeme Leggett vrlo pažljivo razmatrao koje bi klasične pojave mogle oponašati kvantno ponašanje. To što je netko poput njega postavljao takva pitanja zapravo je bilo vrlo korisno, jer nas je potaknulo da radimo još preciznije eksperimente.

Ako danas pogledate eksperimente poput eksperimenta kvantne nadmoći, oni uključuju izuzetno složena kvantna stanja – sustave opisane Hilbertovim prostorom dimenzije reda veličine 2 na 53 potenciju (9.007.199.254.740.992). Takvi eksperimenti daju vrlo snažan dokaz da kvantna mehanika i kvantna spregnutost doista postoje.

Naravno, većina fizičara i prije je vjerovala da će kvantna mehanika funkcionirati upravo onako kako predviđa teorija. Ali bilo je vrlo korisno što je Leggett postavljao kritična pitanja i inzistirao da se eksperimenti provedu doista temeljito.

Kada sam bio mlad istraživač, takav me stav motivirao da eksperimente radim vrlo pažljivo i da ne donosim prebrze zaključke. Raniji eksperimenti u tom području bili su ponekad pomalo nejasni. Mjerenjem svih parametara mogli smo jasno razlikovati klasične pojave, klasični šum i stvarno kvantno ponašanje.

Testiraju li kvantna računala različite interpretacije kvantne mehanike ili su u odnosu na te filozofske rasprave neutralna?

Rekao bih da je kvantno računarstvo svakako kompatibilno sa standardnom interpretacijom kvantne mehanike koja se razvijala tijekom desetljeća. Temelji kvantne mehanike vrlo su pažljivo testirani eksperimentima koji uključuju Bellove nejednakosti i Leggett–Gargove nejednakosti, kojima su provjerena detaljna predviđanja teorije. Ako bi netko predložio neku alternativnu teoriju ili interpretaciju, ona bi morala biti kompatibilna ne samo s tim eksperimentima, nego i s ponašanjem sustava koje vidimo u kvantnim računalima.

Iz moje perspektive, kvantno računarstvo u potpunosti se oslanja na tradicionalni okvir kvantne mehanike i sve što vidimo u eksperimentima u skladu je s tim okvirom.

Zapanjujuće je koliko su ti fenomeni bogati. Eksperimentalni fizičari pokazali su veliku kreativnost u dizajniranju sustava koji iskorištavaju kvantne učinke.

Dakle, bez obzira na interpretaciju, ona se mora slagati s rezultatima eksperimenata.

Točno. Primjerice, cijela rasprava o kolapsu kvantnog stanja, koja je povezana s paradoksom Schrödingerove mačke, često me podsjeća na ideje opisane u knjizi Exploring the Quantum autora Sergea Harochea i Jean-Michela Raimonda. Ta je knjiga zapravo svojevrsni udžbenik za diplomske studije u kojem autori vrlo detaljno prolaze kroz kvantnu mehaniku mjerenja. Osnovna je ideja da se prilikom mjerenja sustav razvija u ono što se naziva pokazivačko stanje (pointer state). Pojednostavljeno rečeno, sustav se tada nalazi u jednom od jasno razlučivih ishoda – slično poznatom primjeru Schrödingerove mačke, gdje je mačka ili živa ili mrtva. Pokazivačko stanje opisuje što se događa tijekom mjerenja.

Teorija pokazuje da, kada sustav uđe u takva jasno razdvojena stanja, učinci dekoherencije vrlo brzo postaju dominantni. Sustav postaje eksponencijalno osjetljiv na utjecaje okoline, a koherencija između stanja nestaje vrlo brzo. Matematički opis tog procesa razrađen je na vrlo elegantan način. Za mene je to vrlo uvjerljivo objašnjenje paradoksa mjerenja i načina na koji kvantno stanje naizgled kolabira.

Naravno, ne slažu se svi s tim tumačenjem. No to je dobar primjer kako se jedno filozofsko pitanje može barem djelomično rasvijetliti vrlo lijepim teorijskim radom i pažljivo osmišljenim eksperimentima.

Snimio Peter Kneffel / PIXSELL

Googleov kvantni procesor Sycamore. Čip radi sa supravodljivim krugovima u kojima se događaju makroskopski
kvantno-mehanički efekti poput tuneliranja i kvantizacije energije – fenomeni za čije je istraživanje dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku za 2025. godinu. Dobitnik nagrade John Martinis odigrao je ključnu ulogu u razvoju procesora

Kada kvantnu mehaniku promatramo s matematičkog stajališta, često je doživljavamo jednostavno kao skup pravila koja funkcioniraju.

Da, to je pristup koji mnogima dobro odgovara. Ali postoje i istraživači koji su dublje istraživali ta konceptualna pitanja i izveli brojne eksperimente. Meni se osobito sviđa taj pristup jer pruža jasan okvir za razumijevanje problema mjerenja. Naravno, postoje i druge interpretacije. Različiti fizičari imaju različita gledišta i mislim da je ta raznolikost ideja zapravo zdrava za razvoj fizike.

Po vašem mišljenju, koliko je važno da inženjeri i eksperimentalni fizičari ostanu u dijalogu s filozofima znanosti?

U mom slučaju, istraživanja koja su na kraju dovela do Nobelove nagrade bila su snažno potaknuta upravo takvim raspravama. Recimo, Anthony Leggett često je pristupao problemima na vrlo filozofski način. Moglo bi se reći da je o fizici razmišljao gotovo poput filozofa. Mislim da je važno da znanstvenici ostanu otvoreni i slušaju različite perspektive. Ono što sam posebno cijenio kod Leggetta jest to što je filozofsko pitanje pretvorio u nešto konkretno: predložio je eksperiment kojim se ta ideja može testirati.

Ako filozofi ili znanstvenici s filozofskim pristupom uspiju pretvoriti apstraktna pitanja u konkretne eksperimente, to može biti iznimno vrijedno za znanstvenu zajednicu. U mome slučaju, ozbiljno shvaćanje takvih temeljnih pitanja dovelo je do mog doktorskog eksperimenta, a taj je rad zatim otvorio čitavo područje istraživanja koje se razvija već četrdeset godina.

Da, u znanosti se nikada ne zna kamo će vas istraživanje odvesti. To je zapravo pravo istraživačko putovanje.

Upravo tako. Znanost je doista otvoreno područje istraživanja.

Može li se reći da kvantno računarstvo ponovno stavlja temeljnu fiziku u središte tehnološkog razvoja?

Na neki način fizika je oduvijek bila u središtu tehnološkog razvoja. Ako pogledate industriju poluvodiča i način na koji rade silicijski tranzistori, sve to ne bi bilo moguće bez kvantne mehanike. Međutim, tijekom posljednjih dvadeset ili trideset godina tehnologija je toliko napredovala da mnogi ljudi mogu koristiti računala, a da pritom uopće ne razumiju kako tranzistori zapravo rade.

Velik dio napretka u tom razdoblju dogodio se u području računalne znanosti – u algoritmima, softveru i teoriji – bez nužnog razumijevanja temeljne fizike. Ono što je zanimljivo kod kvantnog računarstva jest da ponovno vraća fokus na hardver i temeljnu fiziku.

Moje osobno predviđanje jest da će skupine koje su bliže eksperimentima i razvoju hardvera vjerojatno biti uspješnije u izgradnji kvantnog računala od onih koje se bave isključivo algoritmima ili računalnom znanošću. Naravno, potrebne su obje zajednice. No izgradnja kvantnog računala zahtijeva vrlo duboko razumijevanje eksperimentalnih sustava i hardverskog inženjerstva.

Primjerice, kada sam radio u Googleu, to je u osnovi bila softverska tvrtka. Jedan od razloga zbog kojih sam kasnije otišao bio je taj što je kultura i način razmišljanja u tvrtki bio mnogo više usmjeren na teoriju i softver nego na razvoj hardvera.

Nakon što sam napustio Google i pokrenuo vlastitu tvrtku, počeli smo surađivati s organizacijama koje su specijalizirane za razvoj hardvera, poput Hewlett-Packard Enterprisea i Applied Materialsa. Kada razgovaram s inženjerima iz takvih tvrtki, razgovori su potpuno drukčiji jer oni duboko razumiju hardver.

Mislim da će mnogi važni pomaci doći upravo iz takvih suradnji, jer će izgradnja kvantnog računala zahtijevati ogromno znanje iz područja hardvera. S vremenom će softver postajati sve važniji – zapravo je već sada važan. Ali kada je riječ o izgradnji prvih velikih kvantnih računala, hardverski izazovi izuzetno su zahtjevni.

Jedan od razloga zašto je izgradnja kvantnog računala tako teška jest to što je vrlo lako apstrahirati kubit u matematičkom smislu. U teorijskim modelima kubiti su savršeni: nema šuma, nema dekoherencije i nema neželjenih prijelaza između stanja. Zbog toga ljudi mogu relativno lako razvijati algoritme i teorijske protokole. Međutim, stvarni fizički kubiti uvijek imaju šum i nesavršenosti. Uvijek postoje tehnički problemi koje treba riješiti. Kao eksperimentalnom fizičaru, vaš je zadatak pronaći pametne načine da zaobiđete ta ograničenja. A to je teško. U mnogočemu to je slično ranim danima razvoja tranzistora: da bi oni postali pouzdani i primjenjivi u velikim sustavima, bilo je potrebno ogromno inženjersko znanje i trud.

Dakle, trenutačno najvažniji gradivni elementi dolaze prvenstveno iz područja hardvera.

Da, rekao bih da je tako. Ako pogledate povijest računalne industrije, u početku su inženjeri morali uložiti ogroman napor kako bi izgradili pouzdane tranzistore i elektronički hardver. Naravno, razvoj softvera odvijao se paralelno, ali najveći tehnološki napredak došao je upravo iz napretka u hardveru.

Rad inženjera i fizičara koji su gradili hardverske sustave omogućio je da kasnije generacije mogu koristiti računala, a da uopće ne moraju razmišljati o tome kako zapravo rade njihovi osnovni elementi.

Što vas je osobno privuklo kvantnoj fizici? Je li to bila intelektualna znatiželja, tehnološki izazov ili nešto drugo?

Kada studirate fiziku na preddiplomskom, a zatim i na poslijediplomskom studiju, kvantna mehanika često postaje vrhunac studija jer je toliko drukčija od svega što ste prije učili. Predmeti koje slušate prije kvantne mehanike – poput teorije valova i sličnih tema – postupno vas pripremaju za nju. No kada konačno počnete proučavati kvantnu mehaniku, ona je izuzetno fascinantna i vrlo duboka disciplina. Objašnjava mnoge temeljne pojave u prirodi.

U mom slučaju, još u srednjoj školi bio sam vrlo zainteresiran za elektroniku. Sastavljao sam elektroničke komplete i učio kako funkcioniraju elektronički sklopovi. Tijekom karijere jedna od mojih jačih strana bila je upravo projektiranje i izgradnja elektroničkih sustava. Razlog zbog kojeg sam se pridružio istraživačkoj skupini Johna Clarkea bio je taj što je njegov rad spajao supravodljive elektroničke uređaje – vrlo osjetljive sustave s izuzetno niskim šumom koji rade blizu kvantne granice – s kvantnom mehanikom. Ta me kombinacija izuzetno privukla jer je elektronika bila nešto što sam intuitivno razumio, dok je kvantna mehanika sama po sebi bila intelektualno vrlo uzbudljiva. Spoj tih dvaju područja činio mi se vrlo prirodnim smjerom.

Jeste li tijekom svoje karijere ikada imali trenutke ozbiljne sumnje u uspjeh nekog projekta?

Da, svakako. Sjećam se da sam tijekom poslijediplomskog studija pokušavao izraditi svoje supravodljive uređaje. Stalno sam odlazio u čistu sobu, izrađivao nove uzorke, ali oni jednostavno nisu radili. To se ponavljalo otprilike mjesec dana. U tom trenutku to je bilo vrlo frustrirajuće. Pitao sam se: Što zapravo radim? Zašto ovo ne uspijeva? Na kraju sam odlučio pažljivo pregledati vakuumski sustav u čistoj sobi. Ispostavilo se da je bio kontaminiran galijem jer ga je netko ranije koristio na pogrešan način. Proveo sam otprilike pola dana čisteći cijeli sustav. Zapravo to i nije bio velik posao. Čim je sustav pravilno očišćen, uređaji su odmah počeli raditi.

Taj me događaj naučio važnoj lekciji: ponekad eksperimenti ne uspijevaju ne zbog dubokih teorijskih problema, nego zbog vrlo praktičnih tehničkih poteškoća. Ako ste spremni suočiti se s takvim neugodnim zadacima i temeljito ih riješiti, priroda često ponovno počne „surađivati“.

Takve su se situacije ponavljale mnogo puta tijekom moje znanstvene karijere. Primjerice, dok sam radio u Googleu i stvari su išle prilično dobro, donio sam odluku da napustim tvrtku. To je bila vrlo teška odluka jer je značila promjenu posla i smjera kojim sam se bavio velik dio svoje karijere. No nakon što sam osnovao vlastitu tvrtku s ljudima s kojima volim raditi, otkrio sam da imam mnogo više slobode za razvijanje novih ideja. Razvili smo neke nove koncepte za proizvodnju kubita koje, koliko znam, nitko drugi ne istražuje, i vjerujem da bi oni mogli imati velik utjecaj na to područje. Ponekad vas najteži trenuci u karijeri potaknu da promijenite smjer, prihvatite rizik i pokušate nešto novo. A ponekad se pokaže da takve promjene vode do još boljih rezultata nego što ste prvotno očekivali. To je barem bilo moje iskustvo.

Hvala vam puno na odvojenom vremenu. Veselimo se vašem dolasku u Hrvatsku ovoga ljeta i nadamo se da ćete se ovdje lijepo provesti.

Hvala vam puno. Doista mi je velika čast što sam tako srdačno primljen u Hrvatskoj. Pomalo mi je neugodno što ne govorim hrvatski, ali možda ću jednog dana imati priliku to popraviti. Kada dođem, nadam se da ću moći inspirirati ljude i podijeliti svoja iskustva.

U SAD-u ima mnogo dobitnika Nobelove nagrade, pa se ne osjećam toliko iznimno. Ali doista cijenim toplinu i gostoljubivost koju ste mi pokazali.