Tramplīns lielām idejām

Šonedēļ starptautiskā zinātniskā izdevumā publicēts pētījums, kurā atklāta jauna statistikas metode, ar ko pārraudzīt kļūdas elektronu līmenī. Bet latviešu zinātnē šis pētījums ir interesants ar to, ka tajā pirmo reizi kopā strādājuši divi izcili zinātnieki — fiziķis Vjačeslavs Kaščejevs un matemātiķis Andris Ambainis

Pie Latvijas Universitātes profesora, kvantu fiziķa Vjačeslava Kaščejeva 2018. gada rudenī Rīgā ieradās viņa pētniecisko darbu kolēģis Nils Ubelode no Vācijas Nacionālā metroloģijas institūta. Tajā izstrādā un apkalpo dažādas iekārtas, ko izmanto ne tikai metroloģijā, bet arī medicīnā, enerģētikā, kvantu skaitļošanā, klimata kontrolē. 

Ubelodes darbs ir saistīts ar vienelektrona mikroshēmām, ko izmanto visjutīgākajās mērījumu iekārtās. Taču, kā viņš tajā rudens dienā pastāstīja Kaščejevam, ir kāda problēma — elektroni uzvedas kvantiski, tāpēc viens no miljarda mēdz aiziet neceļos. Vai arī pēkšņi miljardu papildina divi lieki elektroni. Ja vienreiz pazūd viens no miljarda, nekas liels. Bet, ja šādi gadījumi laika gaitā uzkrājas, mērierīcei jāziņo par kļūdu. Bet kā nomērīt kļūdu, ja elektronu plūsma procesā nav kontrolējama?

Profesors Kaščejevs kolēģī klausījās, priecīgi satraukts. Viņš ar matemātikas profesoru Andri Ambaini, kura pētījumu lokā ir arī kvantu skaitļošana un algoritmu teorija, bija nupat iesācis pirmo kopīgo pētījumu projektu par kvantiskuma priekšrocībām precīzajās tehnoloģijās. Vācu kolēģa Ubelodes pieteiktā problēma — kā elektronu uzskaitē identificēt kļūdas? — izcili iederējās iesāktajā pētījumā. 

Pētījumu viņi pabeidza ļoti īsā laikā, divos gados. Nupat, 12. janvārī, starptautiskais žurnāls Nature Communications publicējis pētījumu par piecu zinātnieku kopdarbā atklāto statistikas metodi, kas elektronu plūsmā ļauj konstatēt kļūdas. Latvijas Zinātņu akadēmija to nosaukusi par vienu no lielākajiem pagājušā gada sasniegumiem zinātnē.

Kā tas notiek?

Pētāmās vienelektrona mikroshēmas attēls. Oranžie aplīši apzīmē kvantu sūkņus. Zaļās bultiņas norāda virzienu, kurā abi sūkņi reizē pēc komandas cenšas pārvietot tieši vienu elektronu. Ja notiek kļūda, centrālajā mezglā (elipse ar burtu x) uzkrājas lieki elektroni. Tieši tos uzskaita jaunā statistiskā metode

Viens no miljarda

Pieci zinātnieki — profesori Kaščejevs, Ambainis, Ubelode, kā arī jaunie zinātnieki Mārtiņš Kokainis un Dāvids Reiferts — kopīgo darbu sāka 2018. gada rudenī Latvijas Zinātnes padomes finansiāli atbalstītā projektā. Mērķis bija atklāt jaunas, fundamentālas zināšanas par metodēm, kas ļauj izmantot kvantiskuma priekšrocību praktiskajās tehnoloģijās. 

Kvantiskums ir jēdziens, ko lieto ne tikai kvantu skaitļotāji. Elektronikas tehnoloģijās jau tagad izmanto mazāko fizikāli iespējamo — individuālo elektronu  — līmeni. Vienelektrona mikroshēmas liek lietā ne tikai kvantu skaitļotāju prototipos, bet arī visprecīzākajos mērinstrumentos — kvantu etalonos. Tas paskaidrots Zinātņu akadēmijas ziņojumā, kurā cildināts Kaščejeva, Ambaiņa un viņu kolēģu darbs.

Kaščejevs skaidro, ka elektronus var saskaitīt precīzi, ja vien tos skaita ļoti lēni — vien dažus tūkstošus sekundē. Taču tas ir par lēnu tādām plaši izmantotām mērierīcēm kā, piemēram, radiācijas detektori. Tāpēc lietā liek vienelektrona integrētās sistēmas, kas strādā ātri, bet — laika gaitā tajās uzkrājas kļūdas. Tieši par to savā darbā ar vienelektrona mikroshēmām pārliecinājušies vācu zinātnieki Nils Ubelode un Dāvids Reiferts. «Vienelektrona integrētās shēmas pēc būtības ir tādi paši čipi, kas darbina datorus. Vienkārši tās ir tik smalkas un jutīgas, ka jūt elektrības graudainību. Mikroskopiskā mērogā viss ir kvantains,» skaidro Kaščejevs un stāsta, ka tādās lielvalstīs kā Vācija, Lielbritānija, ASV, Dienvidkoreja un Japāna ir mērījumu zinātnes metroloģijas institūti, kuros izstrādā pasaulē visjutīgākās mērierīces. Tās nemitīgi pilnveido. «Mēs gribam un varam piedāvāt kvalitātes kontroli šiem vissmalkākajiem mērījumiem. Lai varētu kā ar lampu spīdināt: ir, ir, ir, oi, tukša vieta! Un tad zinātnieku rīcībā ir informācija, kas ļauj ziņot, ka bija piedāvāts nosūtīt divus miljardus elektronu, bet, lūk, viena elektrona trūkst. Šis bija mērķis, uz kuru veda mūsu pētījums,» atraktīvi skaidro Kaščejevs.

Nenoteiktībai vajag statistiku

Profesors Ambainis, uzrunāts piedalīties pētījumā, saskatīja iespēju atrast vispārīgu nosacījumu, ar ko viegli pārbaudīt kļūdu iespējamību. Viņš skaidro, ka šajā pētījumā atrisināmā problēma bija saistīta ar gadījumu klejošanu elektronu līmenī. «Ideālā gadījumā kvantu sūkņi pa vienam vien nodod elektronus. Bet ir kļūdas elektronu skaitā, un to sauc par gadījumu klejošanu,» skaidro Ambainis. «Man šī problēma bija saistoša, jo atgādināja par gadījumu klejošanu, ar ko saskaramies matemātiskajā datorzinātnē.» 

Divu nedēļu laikā viņš nonāca pie formulas, kas man izskatās pēc pilnīgi nesaprotama ciparu un matemātisku darbību virknējuma. Taču profesors Ambainis viegli, it kā tas būtu 2+2, izstāsta par to, kā izstrādāja formulu un kāda ir tās būtība: «Nenoteiktība kvantu fizikā ir ļoti labi aprakstāma statistikas jēdzienos. Nenoteiktība nenozīmē, ka to nevar aprakstīt ar statistiku, gluži otrādi — nenoteiktība nozīmē, ka statistika tur ir nepieciešama.»

Arī Kaščejevs ar lielu azartu stāsta, ka statistika ir īstais, visīstākais veids, kā kvantu fizikas pētījumos tikt galā ar kvantu nenoteiktību. Viņš aicina mani iedomāties, ka braucu Formula 1 autosacensībās un mērķis ir noturēties vidējā joslā. «Jānobrauc maksimāli ātri, paliekot centrālajā joslā!» profesors dod man uzdevumu. Bet, ja ātrums var sasniegt pat 360 kilometrus stundā, tad skaidrs, ka autobraucējs nevar noteikt, kurā joslā atrodas, «bilde» aiz mašīnas loga ir izplūdusi. «Bet, kad sasniegts finišs, pēc riepu nospiedumiem to var noteikt. Elektronu skaitīšanā ir līdzīgi,» ar šādu līdzību Kaščejevs norāda, ka tikai tad, kad process ir pabeigts, izmantojot statistikas metodes, var pateikt, kas ir noticis pa vidu.

Viens no kvantu fizikas likumiem ir vācu fiziķa Vernera Heizenberga vārdā nosauktais nenoteiktības princips, kas norāda uz to, ka daļiņai nevar vienlaikus izmērīt tās atrašanās vietu un kustības ātrumu. «Taču tas nozīmē, ka ir divi iespējamie mērījumi, un katrs no tiem dod statistiku. Mēs nevaram noteikt, ka kvantu daļiņai ir iepriekš fiksēta atrašanās vieta un virziens, taču daļiņai ir citi iekšējie parametri, ar kuru palīdzību mēs varam vietu un virzienu izrēķināt,» skaidro Ambainis un stāsta, ka ar viņa izstrādātās statistikas metodes palīdzību var noteikt, ka elektronu skaitļotāji kļūdās par vienu elektronu. «Tā ir matemātiskā statistika — mēs uzrakstām nosacījumus un saliekam tos kopā. Jaunais ir tas, ka šajā pētījumā matemātiskā statistika tiek izmantota fizikas problēmai. Mans ieguldījums ir pieminētais nosacījums, ar kuru fiksēt, vai ierīce kļūdās par vienu vai vairāk elektroniem, vai gadījumu klejošanā ir lēcieni par vienu vai vairākām vienībām,» skaidro Ambainis.

No teorētiķiem vislielāko darbu pētījumā veicis Mārtiņš Kokainis, kurš no vācu kolēģiem ņēmis datus par ierīcēs fiksētajām kļūdām un eksperimentējis ar tiem, apstrādājot ar statistikas metodēm.

Zinātnisko darbu pieci zinātnieki pabeiguši jau pirms gada un iesnieguši Nature Communications. Taču recenzenti sagatavojuši komentārus, kuros bijusi vēlme redzēt atbildes uz vēl vairākiem jautājumiem. «Gribu uzteikt Mārtiņa neatlaidību un milzīgo darbu, ko viņš ieguldīja atbilžu sagatavošanai tad, kad mēs jau bijām pabeiguši pētījumu. Viņš pierādīja, ka mūsu piedāvātā metode ir izmantojama dažādos veidos. Visi recenzenti teica, ka saņēma tādas atbildes, kādas bija gaidījuši,» stāsta Kaščejevs un priecājas par neskaitāmajām stundām, kas pētījuma laikā ir pavadītas gan klātienē, gan attālināti diskutējot. «Visvieglāk pētniekam ir apmuļķot sevi pašu. Tāpēc ir svarīgas diskusijas,» saka Kaščejevs.

Tuvina kvantu skaitītājam

Tagad, kad raksts ir publicēts, profesoriem Kaščejevam un Ambainim ir jāatbild uz jautājumu, kas mēdz nokaitināt zinātniekus, — ko šis atklājums maina? Kas no tā, ka ir izstrādāta jauna statistikas metode kļūdu izķeršanai elektronu līmenī? Te nu zinātniekiem jāskaidro, ka statistiskā metode atklāta fundamentālā pētījumā, kas nozīmē, ka atklājums ir viens solis, kas palielina iespējamību robežas. 

Taču pētījuma autori ir apmierināti. Pirmkārt, kļūdu uzskaites problēmas atrisinājums ļāvis Ubelodem un viņu kolēģiem metroloģijas institūtos rast praktiskajiem mērķiem atbilstošu kompromisu starp precizitāti un ātrumu. Otrkārt, tagad metroloģijas institūtu mērierīču dati ir salīdzināmi. «Jo tuvāk esam kvantiem, jo lielāka prasība pret kalibrācijas ķēdi. Jābūt kopsaucējam, pret kuru nokalibrēt,» skaidro Kaščejevs. «Neko nevar darīt ar problēmu, kas nav izmērāma. Tāpēc jau ir iecienīts teiciens, kas vēsta, ka vieglākais veids, kā risināt problēmas, ir tās ignorēt!» smejas profesors.

Ar jauno statistisko metodi varot sistemātiski pētīt gadījumu klejošanu arī kvantu skaitļotājos. Tātad šis fundamentālais pētījums mūs visus tuvina lielajai balvai — funkcionējošam kvantu skaitļotājam. Pēc viņa stāstītā, izstrādātā statistikas metode palīdzēs kvantu un elektronu skaitļotājiem izstrādāt «iekšējo sertifikāciju» jeb pašpārbaudes sistēmu. Šāda ideja esot jau sen, bet līdz šim neesot bijis praktiska ceļa uz to.

Šis fundamentālais pētījums bija arī pirmais, kurā kopā strādāja divi no izcilākajiem Latvijas zinātniekiem — fizikas profesors Kaščejevs un matemātikas profesors Ambainis. Lai gan viņus saista interese par kvantu fiziku, līdz pat 2018. gadam viņi nebija strādājuši kopā, tikai daudz diskutējuši. «Sadarbība bija ļoti interesanta, jo Slava ir aizrautīgs cilvēks, ar kuru prieks sadarboties. Viņam ir pieeja pasaulei, no kuras nāk interesantas idejas, kas ir atšķirīgas no manējām. Tā ir liela vērtība,» saka profesors Ambainis.  

Pētījumi turpināsies. Par to liecina kaut vai tas, ka Kaščejeva vadītā Kvantu nanoelektronikas teorijas laboratorija sākusi sadarbību ar jaunuzņēmumu EvenTech, kas ražo elektroniskas mērierīces, ar kuru palīdzību var precīzi noteikt attālumu līdz satelītam. «Jo precīzāk ir iespējams izmērīt, kurā brīdī atnāk satelīta atstarotais signāls, jo precīzāk var augstumu izmērīt. Un viņiem ir know how, kā elektroniski mērīt laiku līdz pikosekundēm, kas ir sekundes miljonās daļas miljonā daļa. Mēs šobrīd ar EvenTech kolēģiem un Nilu [Ubelodi] brein-
stormojam, vai tik nevarētu sajūgt viņu tehnoloģiju ar vienelektrona čipiem, lai nokalibrētu viņu elektroniku un vēl precīzāk noteiktu kvantu stāvokli. Saprotiet, kombināciju iespējas ir ļoti plašas,» ar milzu aizrautību stāsta Kaščejevs, lai pierādītu, ka fundamentālo pētījumu atklājumi ir atskaites punkti lielām idejām un brīnišķīgiem sadarbības projektiem. «Dodiet tikai mums laiku!» viņš saka.

Publikācija sagatavota ar Accenture finansiālu atbalstu