Povodom gostovanja Johna Martinisa u Hrvatskoj od 4. do 14. srpnja, objavljujemo priču o tom nobelovcu hrvatskog podrijetla. Od ribarske obitelji s otoka Visa do laboratorija u kojima nastaju najnapredniji kvantni procesori svijeta, životni i znanstveni put Johna Martinisa pokazuje kako se najveće tehnološke revolucije često rađaju iz desetljeća naizgled apstraktnih teorijskih istraživanja.
Povijest znanosti ponekad stvara neobične i gotovo nevjerojatne veze između mjesta, ljudi i ideja. Jedna od takvih veza vodi od dalmatinskog otoka Visa do samog vrha suvremene fizike i tehnologije. Godine 2025. Nobelovu nagradu za fiziku dobio je John Martinis, jedan od vodećih pionira kvantnog računalstva. Premda je rođen i školovan u Sjedinjenim Američkim Državama, njegovi obiteljski korijeni vode na hrvatski otok Vis, odakle su potjecali njegovi roditelji. Upravo će taj dječak, koji je odrastao u Kaliforniji, desetljećima poslije postati jedan od ključnih ljudi u razvoju prvih velikih kvantnih procesora.
Njegov znanstveni put povezuje nekoliko velikih tema moderne fizike: kvantnu mehaniku, supravodljivost, makroskopsku kvantnu koherenciju, korekciju kvantnih pogrješaka i, naposljetku, izgradnju kvantnih računala. Istodobno, taj put pokazuje kako se ideje koje su nekoć izgledale kao apstraktne filozofske rasprave mogu pretvoriti u tehnologije koje mijenjaju svijet. Da bismo razumjeli značenje Martinisova rada, potrebno je vratiti se do vremena kada su Albert Einstein, Niels Bohr i drugi utemeljitelji kvantne teorije raspravljali o samoj prirodi fizičke stvarnosti.
Hrvatski korijeni Johna Martinisa
John Martinis često ističe svoje hrvatsko podrijetlo. Otac je bio ribar koji je velik dio života proveo popravljajući brodske motore. U brojnim intervjuima Martinis je spominjao kako je još kao dječak pomagao ocu u rastavljanju i sastavljanju mehaničkih sustava. Na prvi pogled teško je pronaći vezu između ribarskih motora i kvantnog računalstva. Ipak, upravo je takvo praktično iskustvo razvilo osjećaj za eksperimentalni rad koji će poslije obilježiti njegovu znanstvenu karijeru. Martinis nije bio samo eksperimentalni fizičar. Njegova najveća postignuća proizašla su iz sposobnosti da duboke ideje kvantne teorije pretvori u stvarne uređaje.
U tome se možda krije i simbolična povezanost između njegova obiteljskog podrijetla i kasnijeg rada. Kao što se brodski motor sastoji od velikog broja precizno usklađenih dijelova, tako i kvantno računalo zahtijeva iznimnu kontrolu nad velikim brojem međusobno povezanih kvantnih elemenata.
Nakon studija fizike na Sveučilištu Berkeley, Martinis se posvetio istraživanju supravodljivih elektroničkih sklopova. U to je vrijeme većina fizičara smatrala da će kvantni učinci ostati ograničeni na mikroskopske sustave poput atoma i elementarnih čestica.
Martinis je pripadao skupini istraživača koja je pokušavala pokazati suprotno. Njihovo je pitanje bilo jednostavno, ali duboko: mogu li se kvantni učinci promatrati i u mnogo većim sustavima sastavljenima od milijardi elektrona?
Odgovor na to pitanje vodio je prema Josephsonovim spojnicama, malim supravodljivim strukturama koje omogućuju pojavu kvantnih fenomena na makroskopskoj razini. Upravo će one postati temelj budućih supravodljivih qubita. Tijekom rada u Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST), a kasnije na Kalifornijskom sveučilištu u Santa Barbari, Martinis je postupno postao jedan od vodećih svjetskih stručnjaka za takve sustave.
Među znanstvenicima koji su najviše utjecali na razvoj Johna Martinisa posebno mjesto zauzima fizičar Anthony J. Leggett, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2003. godine. On se pitao mogu li se kvantni zakoni primijeniti i na makroskopske sustave koje možemo vidjeti golim okom? Posebno ga je zanimalo može li sustav sastavljen od ogromnog broja čestica pokazivati kvantnu superpoziciju dvaju različitih makroskopskih stanja. U klasičnoj fizici čestica ne može prijeći energetsku barijeru ako nema dovoljno energije. U kvantnoj mehanici, međutim, postoji konačna vjerojatnost da se čestica „protunelira“ kroz barijeru. Leggett je predvidio da se sličan učinak može pojaviti i kod makroskopskih supravodljivih sustava.
Upravo su takve ideje snažno utjecale na mladoga Martinisa. Tijekom osamdesetih godina Martinis i njegovi suradnici izveli su niz eksperimenata koji su pokazali da se kvantni učinci doista mogu promatrati u supravodljivim elektroničkim sklopovima, što je bio važan korak prema makroskopskoj kvantnoj koherenciji. Kad je uvidio da se elektronički sklopovi mogu ponašati poput umjetnih atoma, Martinis je otvorio put prema stvaranju kontroliranih kvantnih bitova – qubita. Danas se može reći da je Leggett pružio teorijski temelj, dok je Martinis sudjelovao u pretvaranju tih ideja u eksperimentalnu stvarnost. Njihov zajednički doprinos predstavlja jedan od ključnih mostova između temeljne kvantne fizike i suvremene kvantne tehnologije.
No, pravi izazov bila je potraga za stabilnijim qubitima koja će dovesti do razvoja jedne od najuspješnijih arhitektura suvremenog kvantnog računalstva – transmonskog qubita.
Transmonski qubit i put prema kvantnom procesoru
Najveći neprijatelj svakog kvantnog sustava bila je dekoherencija. Svaka neželjena interakcija sa svijetom izvan qubita postupno uništava kvantne informacije i pretvara kvantno ponašanje u klasično. Upravo zbog toga prvi eksperimenti s qubitima pokazivali su vrlo kratka vremena koherencije, često nedovoljna za izvođenje složenijih računa.
Tijekom godina, njegova je skupina razvila niz tehnoloških poboljšanja u konstrukciji supravodljivih qubita. Ključni korak dogodio se razvojem transmonskog qubita. Takva konstrukcija znatno smanjuje osjetljivost na električni šum, jedan od glavnih uzroka dekoherencije u ranijim generacijama qubita. U tom se razdoblju počela oblikovati nova paradigma kvantnog računalstva. Cilj je postala izgradnja složenih kvantnih procesora koji se mogu programirati i koristiti za razne zadatke.
Martinis je smatrao da se napredak ne može temeljiti samo na pojedinačnim demonstracijama kvantnih učinaka. Potrebna je tehnologija koja se može skalirati, odnosno proširivati na sve veći broj qubita bez gubitka kontrole nad sustavom. Početkom drugog desetljeća 21. stoljeća upravo su supravodljivi qubiti postali jedan od najperspektivnijih kandidata za ostvarenje tog cilja. Velike istraživačke skupine i tehnološke tvrtke počele su ulagati golema sredstva u njihov razvoj.
Godine 2014. Martinis prelazi u Google i preuzima vodstvo programa razvoja kvantnih procesora. Cilj više nije bio samo proučavanje kvantnih pojava nego izgradnja stroja koji će demonstrirati mogućnosti kvantnog računanja izvan dosega klasičnih računala, što je dovelo do demonstracije kvantne nadmoći pomoću procesora Sycamore, o čemu je Martinis već govorio u razgovoru za Vijenac.
Demonstracija kvantne nadmoći (quantum supremacy), izraz koji je ranije predložio John Preskill, se temelji na dokazu da postoji barem jedan konkretan problem koji kvantni uređaj može riješiti znatno brže od klasičnog računala. Objava rezultata izazvala je brojne rasprave. IBM je tvrdio da se isti zadatak može simulirati brže nego što je Google procijenio. Ipak, ostala je činjenica da su kvantni procesori prvi put ušli u područje koje je do tada bilo rezervirano za najveća klasična računala.
Za Martinisa, Sycamore predstavlja vrhunac gotovo četrdeset godina istraživanja. Od prvih eksperimenata s Josephsonovim spojnicama do programabilnog kvantnog procesora vodio je dug put obilježen tehničkim i teorijskim izazovima. No, sam Martinis naglašavao je da Sycamore nije konačni cilj. Prava prepreka još je uvijek ostajala ista kao i na početku: pogrješke i dekoherencija. Kvantno računalo može postati doista korisno tek kada nauči ispravljati vlastite pogrješke. Upravo će rješavanje tog problema dovesti do razvoja surface code arhitekture i suradnje s jednim od najvažnijih teoretičara kvantne korekcije pogrješaka – Austinom Fowlerom.
Unatoč impresivnom uspjehu procesora Sycamore, temeljni problem kvantnog računalstva nije nestao. Svaki qubit i dalje je bio osjetljiv na šum, toplinske fluktuacije i druge utjecaje okoline. Ključno pitanje postalo je: kako izgraditi pouzdano računalo od nepouzdanih komponenti? Odgovor je pronađen u kvantnoj korekciji pogrješaka.
Za razliku od klasičnih računala, gdje se bit može jednostavno kopirati više puta, kvantna mehanika zabranjuje savršeno kopiranje nepoznatog kvantnog stanja. Zbog toga je bilo potrebno razviti potpuno nove metode zaštite kvantnih informacija. Jedan od najvažnijih doprinosa dao je australski fizičar Austin Fowler. Njegovi radovi tijekom prvog desetljeća 21. stoljeća pokazali su kako se kvantne informacije mogu zaštititi pomoću posebne mreže međusobno povezanih qubita poznate pod nazivom surface code. Fowler je pokazao da takav sustav može tolerirati pogrješke sve dok njihova stopa ostane ispod određenog praga. Za surface code taj prag iznosi približno jedan posto. To se možda ne čini osobito zahtjevnim, ali u svijetu kvantne tehnologije predstavlja iznimno važnu granicu.
Kada je Martinis prvi put proučio Fowlerove rezultate, odmah je prepoznao njihovo značenje. Godinama je radio na smanjivanju pogrješaka u supravodljivim qubitima. Sada se prvi put pojavila teorijska arhitektura koja je pokazivala kako se od takvih qubita može izgraditi doista veliko i pouzdano kvantno računalo. Martinis je poslije više puta isticao da je Fowlerov rad promijenio način razmišljanja cijelog područja. Prije toga mnogi su istraživači sumnjali da će kvantna korekcija pogrješaka ikada biti praktično ostvariva. Surface code pokazao je da postoji realan put prema skalabilnom kvantnom računalstvu.
Jedan logički qubit nije zahtijevao jedan fizički qubit nego desetke, stotine ili čak tisuće fizičkih qubita. Što je željena pouzdanost veća, potreban je i veći broj fizičkih elemenata. To objašnjava zašto današnji kvantni procesori, premda sadrže desetke ili stotine qubita, još uvijek nisu dovoljni za rješavanje najvažnijih praktičnih problema. Pravo kvantno računalo budućnosti vjerojatno će zahtijevati stotine tisuća ili čak milijune fizičkih qubita.
Na prvi pogled, takvi brojevi djeluju obeshrabrujuće. No, upravo je ista situacija postojala i u ranim danima klasičnog računalstva. Prvi elektronički strojevi bili su golemi, skupi i nepouzdani. Tek su desetljeća razvoja dovela do današnjih mikroprocesora. Martinis je bio među prvima koji su shvatili da se s kvantnim računalima događa sličan proces. Sycamore nije predstavljao kraj puta nego početak nove faze razvoja. No, postoji još jedan razlog zbog kojega je surface code posebno zanimljiv. Ispod njegove tehničke površine krije se duboka veza s jednom od najneobičnijih ideja moderne fizike – anyonima.
Većina ljudi nikada nije čula za anyone. Pa ipak, upravo su oni postali jedan od najvažnijih koncepata suvremene teorijske fizike. U trodimenzionalnom svijetu sve poznate kvantne čestice pripadaju jednoj od dviju kategorija. Bosoni imaju simetrične valne funkcije, a fermioni antisimetrične. Desetljećima se vjerovalo da su to jedine dvije mogućnosti koje priroda dopušta.
Anyoni nisu samo teorijska zanimljivost. Njihovo ponašanje određeno je ne samo položajem nego i poviješću gibanja. Kada se dva anyona zamijene, sustav pamti način na koji je zamjena izvedena. Upravo je ta osobina dovela do ideje topološkog kvantnog računalstva.
Godine 1997. Alexei Kitaev pokazao je da bi se kvantne informacije mogle pohranjivati u topološkim stupnjevima slobode koji su prirodno zaštićeni od mnogih vrsta pogrješaka. Umjesto oslanjanja na krhke lokalne kvantne varijable, informacije bi bile kodirane u globalnoj topološkoj strukturi sustava. Takav pristup obećavao je daleko veću otpornost na dekoherenciju. Zanimljivo je da se ista matematička ideja pojavljuje i u surface code arhitekturi. Iako se u supravodljivim procesorima ne koriste fizički anyoni poput onih u frakcijskom Hallovu učinku, pobuđenja surface code mreže ponašaju se kao efektivni anyoni. Pogrješke se mogu promatrati kao stvaranje, gibanje i poništavanje anyonskih parova.
Na taj način jedan od najuspješnijih modela kvantne korekcije pogrješaka pokazuje duboku povezanost između kvantnog računalstva i topologije.
U toj se priči pojavljuje i zanimljiva hrvatska poveznica.
Godine 1994. Velimir Bardek, Miroslav Dorešić i Stjepan Meljanac objavili su u časopisu Physical Review D rad pod naslovom „Anyons as Quon Particles“. U vrijeme njegova nastanka topološko kvantno računalstvo još nije postojalo kao znanstvena disciplina, a pojam kvantne informacije tek se počinjao razvijati. Glavni cilj rada nije bio razvoj kvantnog računala nego razumijevanje same prirode kvantne statistike.
Nekoliko godina poslije Oscar Greenberg uveo je pojam quona, hipotetskih kvantnih čestica opisanih generaliziranom operatorskom algebrom koja omogućuje kontinuirani prijelaz između Boseove i Fermijeve statistike. U tom formalizmu Boseova i Fermijeva statistika predstavljaju dva krajnja slučaja, dok između njih postoji čitav kontinuirani spektar mogućih kvantnih statistika.
Temeljno pitanje bilo je mogu li se anyoni, egzotične kvantne čestice koje se pojavljuju u dvodimenzionalnim sustavima, opisati upravo takvim algebarskim formalizmom. U radu je pokazano da se statistička faza koju anyoni stječu prilikom međusobne izmjene može prirodno povezati s parametrom koji određuje quonsku statistiku. Na taj je način uspostavljen most između topološke statistike anyona i generaliziranih operatorskih algebri.
Posebno zanimljiv rezultat odnosio se na Fourierovu transformaciju funkcije polarnog kuta koja se pojavljuje u operatorskoj formulaciji anyona. Pokazalo se da topološka struktura prisutna u koordinatnom prostoru ne nestaje pri prijelazu u impulsni prostor. Naprotiv, ona ostavlja prepoznatljiv trag u obliku singularnih matematičkih distribucija koje odražavaju globalna topološka svojstva sustava.
Drugim riječima, topološka informacija o međusobnom obilasku čestica ostaje sačuvana čak i nakon prijelaza iz geometrijskog opisa u operatorski i impulsni opis sustava. Upravo je to bio jedan od najzanimljivijih rezultata rada jer je pokazivao kako topologija može biti ugrađena u samu strukturu kvantne teorije.
Gledano iz današnje perspektive, zanimljivo je da su se u tom radu pojavili mnogi matematički motivi koji će desetljećima poslije postati važni u teoriji topoloških faza tvari i kvantne informacije. Premda autori nisu govorili o kvantnim računalima, bavili su se upravo onim pitanjima koja će poslije postati temeljna za razumijevanje anyona, topološke zaštite kvantne informacije i topološkog kvantnog računalstva.
Zbog toga se rad „Anyons as Quon Particles“ danas može promatrati ne samo kao doprinos teoriji generalizirane statistike nego i kao dio šire intelektualne povijesti koja povezuje anyone, topologiju i suvremenu kvantnu informaciju.
Kada je Albert Einstein 1935. godine zajedno s Podolskim i Rosenom objavio poznati EPR rad, cilj mu nije bio razvoj nove tehnologije. Želio je pokazati da kvantna mehanika nije potpuna teorija fizičke stvarnosti. Gotovo stoljeće poslije posljedice te rasprave vidljive su posvuda. Bellov teorem pokazao je da priroda ne slijedi načela lokalnog realizma. Entanglement je od filozofskog problema postao eksperimentalna činjenica. Anyoni su otkrili novu dimenziju kvantne statistike. Kitaev je povezao topologiju s kvantnom informacijom. Fowler je pokazao kako se kvantne informacije mogu zaštititi od pogrješaka. Martinis je te ideje pretvorio u stvarne kvantne procesore.
Promatran kao cjelina, taj razvoj otkriva jednu od najzanimljivijih značajki moderne znanosti. Najveće tehnološke revolucije često započinju pitanjima koja se u početku čine potpuno teorijskima. Nitko 1935. nije mogao predvidjeti da će rasprava o prirodi kvantne stvarnosti jednog dana dovesti do razvoja kvantnih računala. Jednako tako, malo je tko osamdesetih godina mogao zamisliti da će proučavanje anyona i topoloških faza tvari postati jedan od mogućih puteva prema novoj računalnoj tehnologiji.
U tom smislu, John Martinis predstavlja mnogo više od uspješnog eksperimentalnog fizičara. Njegova karijera simbolizira prijelaz iz razdoblja u kojem su kvantni fenomeni bili predmet rasprava u teorijskoj fizici u doba kada postaju temelj nove tehnologije. Put od Einsteina do Martinisa nije samo priča o jednom znanstveniku. To je priča o gotovo stoljeću razvoja ideja koje su postupno promijenile naše razumijevanje prirode, informacije i mogućnosti računanja. A ta priča još uvijek nije završena.
