I bygning 13 på MITs campus sitter det et utstyr for en halv million dollar som ser ut som en lang utstrakt lysekrone, med en serie gullskiver forbundet med tynne sølvrør. Utstyret, kjent som et fortynningskjøleskap, er en sentral aktør i ph.d.-studenten Alex Greenes forskning, ettersom det rommer alle deres eksperimenter. “Livet mitt blir formet rundt dets rytmer,” sier de.
Første gang Greene hjalp til med å sette nye prøver i kjøleskapet, jobbet de med en postdoktor ved midnatt på en fredag, og sprengte dansk screamo-musikk. Helt siden har kjøleskapet ført dem på både spennende og frustrerende eventyr gjennom hele doktorgradsforskningen deres på å redusere feil i kvantedatasystemer.
Greene vokste opp i det nordlige New Jersey med deres identiske tvilling, Jamie. De to var ekstremt konkurransedyktige som barn, og utenfor skolen holdt de seg opptatt med løping, stavhopp og fjellklatring. Faren deres er nevrolog og moren deres er en tidligere elektroingeniør som jobbet ved Bell Labs, et forskningslaboratorium kjent for å være banebrytende nøkkelteknologi for datamaskiner og telefoner.
I 2010 kom Alex og Jamie begge til MIT som studenter. Alex hadde vært interessert i biomedisinsk ingeniørfag på videregående, “Men så oppdaget jeg at jeg hater å jobbe i ‘våte’ laboratorier,” der forskere håndterer kjemikalier og biologiske materialer, sier de. En annen innflytelse var Carl Sagans “Contact”, en science fiction-bok om en astronom som leter etter utenomjordisk intelligens. “Det fikk meg hektet på fysikk,” sier Greene.
Som en MIT undergraduate, Greene dobbel hovedfag i fysikk og i elektroteknikk og informatikk. De fant et hjem innen kvantedatabehandling, der forskere jobber med å bygge ekstremt kraftige datamaskiner ved å utnytte fysikkkonsepter innen kvantemekanikk.
Greene ble ved MIT for å forfølge en MEng i kvantedatabehandling, og jobbet ved Lincoln Laboratory. Der forsket de på måter å forbedre en teknologi kalt fanget ion-kvanteberegning, som bruker atomer suspendert i luften og kontrollert av lasere.
Etter å ha fullført mastergraden, gikk de over til en annen teknologi kalt superledende kvanteberegning. I stedet for suspenderte atomer, bruker denne teknologien bittesmå elektriske kretser som er eksepsjonelle til å føre elektrisk strøm. For å kontrollere disse kretsene trenger forskere bare å sende elektriske signaler.
For dette prosjektet ønsket Greene å jobbe med MIT-professor William Oliver, som leder Center for Quantum Engineering i Research Laboratory of Electronics. Nok en gang valgte Greene å bli ved instituttet – denne gangen for å fortsette sin doktorgrad.
Legge til tilfeldighet til kvantedatamaskiner
En dag kan kvantedatamaskiner løse problemer utenfor rekkevidden til vanlige klassiske datamaskiner, noe som muliggjør enorm fremgang i mange applikasjoner. Å manipulere maskinvare slik at den viser kvanteatferd er imidlertid utfordrende fra et teknologisk perspektiv. For tiden sliter kvantedatamaskiner, inkludert superledende, med høye feilrater som begrenser lengden og kompleksiteten til “programmene” de kan kjøre. Mest eksperimentell forskning innen kvanteberegning er fokusert på å adressere disse feilene.
Greene jobber med å gjøre superledende kvantedatamaskiner mer nøyaktige ved å redusere virkningen av disse feilene. For å teste ideene deres må de kjøre eksperimenter på superledende kretser. Men for at disse kretsene skal fungere, må de kjøles ned til ekstremt lave temperaturer, rundt -273,13 grader Celsius – innenfor 0,02 grader unna den kaldeste mulige temperaturen i universet.
Det er her det lysekrone-lignende fortynningskjøleskapet kommer inn i bildet. Kjøleskapet kan enkelt nå de nødvendige kalde temperaturene. Men noen ganger oppfører den seg dårlig, og sender Greene på sideoppdrag for å fikse problemene.
Greenes mest krevende sideoppdrag innebar å jage ned en lekkasje i et av kjøleskapets rør. Rørene bærer en dyr og sjelden gassblanding som brukes til å avkjøle kjøleskapet, som Greene ikke hadde råd til å miste. Heldigvis, selv med lekkasjen, ble kjøleskapet designet for å forbli funksjonelt uten å miste noe blanding i rundt to uker av gangen. Men for å holde kjøleskapet i drift, måtte Greene hele tiden starte på nytt og rengjøre det i løpet av en femdagers prosess. Etter omtrent syv stressende måneder fant Greene og laboratoriekameraten deres til slutt og fikset lekkasjen, slik at Greene kunne gjenoppta forskningen i full fart.
For å planlegge hvordan man effektivt kunne forbedre nøyaktigheten til superledende kvantedatamaskiner, trengte Greene først å gjøre en oversikt over de forskjellige typene feil i disse systemene. I kvanteberegning er det to kategorier av feil: inkoherente og koherente feil. Inkoherente feil er tilfeldige feil som oppstår selv når kvantedatamaskinen går på tomgang, mens sammenhengende feil er forårsaket av ufullkommen kontroll av systemet. I kvantedatamaskiner er koherente feil ofte de verste synderne i systemunøyaktigheter; Forskere har matematisk vist at sammenhengende feil oppstår mye raskere enn usammenhengende feil.
For å unngå de ekle sammensatte unøyaktighetene til sammenhengende feil, brukte Greene en smart taktikk: å skjule disse feilene til å se ut som usammenhengende feil. “Hvis du [strategically] introdusere en liten bit av tilfeldighet i superledende kretser», kan du få koherente feil til å blande seg like sakte som usammenhengende feil, sier de. Andre forskere på feltet bruker også tilfeldighetstaktikker på forskjellige måter, bemerker Greene. Likevel, gjennom sin forskning, er Greene med på å bane vei for mer nøyaktige superledende kvantedatamaskiner.
Forbedring av vannhygiene i Pakistan
Utenom forskning er Greene konstant engasjert i en virvelvind av aktiviteter, og legger til nye hobbyer mens han møysommelig fjerner gamle for å få plass i den travle timeplanen. I løpet av årene har hobbyene deres inkludert glassblåsing, sang i et lokalt queer-kor og konkurrerende fjellklatring. For tiden bruker de helgene på å jobbe med oppussingsprosjekter sammen med partneren deres på deres regnbuefargede samarbeid.
Det siste halvannet året har Greene også vært involvert i vannsaneringsprosjekter gjennom klasser med MIT D-Lab, et prosjektbasert program som tar sikte på å hjelpe fattige samfunn rundt om i verden. Å ta kurs i D-Lab var “noe jeg alltid ønsket å gjøre fra grunnskolen, men jeg hadde aldri tid til det,” sier de. De var endelig i stand til å passe D-Lab inn i timeplanen deres ved å bruke klassene til å oppfylle PhD-kravene deres.
For ett prosjekt utvikler de et system for effektivt og billig å filtrere ut skadelig overflødig fluor fra vannforsyninger i Pakistan. “Det er lite intuitivt at fluor er dårlig fordi vi har fluor i tannkremen,” sier de. “Men faktisk endrer for mye fluor hardheten til tennene og beinene dine.” En idé som de og deres samarbeidspartnere utforsker er å bygge et vannfiltreringssystem ved å bruke leire, en etablert, men billig fluorfjerningsmetode.
En besøkende assisterende professor fra Pakistan, som deltok i D-Lab-klassen, hadde opprinnelig presentert fluorfiltreringsprosjektet. Da timen var over, returnerte professoren til Pakistan, men fortsatte likevel med prosjektet. Greene jobber nå praktisk talt med professoren for å hjelpe med å finne den beste typen leire for å filtrere ut fluor. Gjennom sine erfaringer med D-Lab ser Greene at de fortsetter å være frivillige i vannsaneringsprosjekter på lang sikt.
Greene planlegger å fullføre sin doktorgrad i desember. Etter 12 år ved MIT, har Greene som mål å forlate instituttet for å jobbe i et kvantedatabedrift. “Det er en veldig fin tid å være i felt” i industrien, sier de. “Bedrifter begynner å skalere opp [quantum computing] teknologi.”