Egy lépéssel közelebb a nagy kapacitású kvantumszámítógépekhez

2017.09.09. 10:37

A kvantummechanikai elven működő számítógépek nagyságrendekkel gyorsabbak lesznek minden ma létezőnél, de megépítésük akkora mérnöki kihívás, mint az űrutazás volt egykor. Ausztrál kutatók most olyan kvantumcsip ötletével rukkoltak elő, amely elérhető közelségbe hozhatja a megoldást.

Az ausztráliai University of New South Wales (UNSW) mérnökei gyökeresen új megoldással álltak elő a kvantumszámítógép-építés terén. Az általuk flip-flop (kb. „ping-pong”) kvantumbitnek keresztelt szerkezeti egységek révén olcsóbba és egyszerűbbé válhat a kvantumcsipek ipari léptékű gyártása, mint ahogy korábban bárki is remélte.

Az újfajta csip felépítését a Nature Communications című folyóiratban részletezik a szerzők. Röviden egy olyan szilíciumalapú kvantumprocesszorról van szó, amelyen elvben nagy számú kvantumbit helyezhető el anélkül, hogy a kvantumbitek helyzetét atomi szintű hibahatáron belül kellene tartani. A korábbi megoldások egyik fő korlátozó tényezője volt, hogy a kvantumszámítógép információs alapegységét jelentő kvantumbiteknek egymáshoz nagyon közel – és nagyon pontosan meghatározott távolságra – kellett kerülniük. Az új dizájn lehetővé teszi, hogy a kvantumbitek akár több száz nanométeres (atomi léptékkel mérve óriási) távolságból is csatolva maradjanak  – márpedig a bitek közötti kvantumcsatolás, a bitek kvantumállapotainak egymáshoz kötöttsége a kvantumszámítógép működésének lelke.

Forrás: AFP/Science Photo Library/Mopic

Elektromos jelekkel vezérelt kvantumbitek

Andrea Morello, az új kvantumbit egyik megálmodója és az Ausztráliai Kutatási Tanács (ARC) kvantumkomputációs és kommunikációtechnológiai központjának programvezetője szerint a gyártáshoz szükséges technológia már ma is rendelkezésünkre áll. „Briliáns elgondolás ez, és mint annyi más elméleti újítás esetén, így most is csak azon csodálkozhatunk, hogy miért nem jutott ez eddig senkinek az eszébe – kommentálta a kutató. – Amit Guilherme Tosi kollégám és a csoport többi tagja feltalált, az az ún. spin-kvantumbit egyfajta újradefiniálása, amely az elektronokon kívül az atommagot is játékba hozza. Lényeges, hogy az új kvantumbitet nem mágneses, hanem elektromos jelekkel kell vezérelni, márpedig elektromos impulzusokat jóval könnyebb egy elektromos csipen mozgatni és lokalizálni.”

Tosi hozzátette: az általuk tervezett csiparchitektúra kiküszöböli azt a nehézséget, amellyel az összes korábbi spin alapú szilícium-kvantumcsip fejlesztője szembesült, amikor megkíséreltek egyre több kvantumbitet elhelyezni a csip felszínén, nevezetesen hogy a biteket egymástól mindössze 10-20 nanométernyi – körülbelül 50 atomátmérőnyi – távolságra kellett elhelyezniük. „Ha ennél akár csak kicsivel közelebb vagy kicsivel távolabb kerülnek, a bitek kvantumállapotai közötti „összefonódás” (quantum entanglement) nem valósul meg, holott ez a kvantumszámítógép működésének lényege” – magyarázza a tudós.

Az UNSW kutatói eddig is vezető pozíciót foglaltak el a világban a spinkvantumbitek felskálázása – egyre és egyre több kvantumbit egy csipen való elhelyezése – terén, ám ahogy Morello elmondta, „ha már sok ezernyi vagy milliónyi kvantumbitet akarnánk ilyen közel egymáshoz egy csipre rázsúfolni, akkor a gyártósorokat, az egész vezérlő elektronikát és a kimenő jeleket kiolvasó berendezéseket is ezen a nanométeres pontosságú skálán kellene gyártanunk, ilyen sűrű elektródelrendezéssel. Az új kvantumbit egy alternatív lehetőséget kínál.”

A flip-flop kvantumbitek közötti összefonódás művészi ábrázolása

Forrás: Tony Melov/UNSW

A gyártás egyszerűbbé válhat

A kvantumszámítógép-fejlesztés spektrumának túlsó végén találhatók az egyebek között az IBM és a Google által favorizált szupravezető áramkörök és ioncsapdák. Az ilyen rendszerek jóval nagyobb méretük folytán egyszerűbben gyárthatók, ezért jelenleg ezek képesek a legnagyobb számú kvantumbit működtetésére. Azonban épp nagy méretük folytán fejlesztőik valószínűleg problémákba fognak ütközni, amikor milliónyi kvantumbitet próbálnak majd összekapcsolni és egyszerre üzemeltetni, ami pedig elkerülhetetlen lesz a gyakorlatban is hasznos kvantumalgoritmusok futtatásához.

„A mi szilícium alapú megoldásunk épp az arany középutat képviseli – büszkélkedik Morello, aki egyben az UNSW kvantummérnök-professzora. – A gyártása egyszerűbb, mint az atomi skálájú eszközöké, mégis lehetővé teszi több millió kvantumbit elhelyezését egyetlen négyzetmilliméternyi területen.” A Morello és csoportja által kigondolt, az alapötlet szintjén Tosi nevéhez fűződő új típusú kvantumbitek egy szilíciumcsipen foglalnak helyet, amelyet szigetelő szilícium-oxid réteggel fednek be, s ennek felületén alakítják ki a fémelektródok mintázatát. Az elektródok abszolút nulla fok közeli hőmérsékleten, rendkívül erős mágneses mezőben működnek. A kvantumbitek lelke egy foszforatom, amelynek Tosi ötlete nyomán – és ez jelenti a legnagyobb koncepcionális újítást – mind az atommagját, mind egy elektronját felhasználják a „0” és „1” állapotokat reprezentáló kvantumállapotok előállításához. A „0” állapotnak az felel meg, amikor az elektron spinje lefelé, a mag spinje fölfelé irányul, míg az „1” állapotban az elektron spinje fölfelé, a mag spinje lefelé néz. „A kvantumbit működtetéséhez a csip felszínén lévő elektródok segítségével az elektront kissé távolabb húzzuk az atommagtól – magyarázza Tosi. – Eközben egyúttal egy elektromos dipólust is létrehozunk.”

Dr. Guilherme Tosi és Andrea Morello professzor

Forrás: Quentin Jones/UNSW

„Ez utóbbi mozzanat kulcsfontosságú – emeli ki Morello. – Az elektromos dipólusok ugyanis meglehetősen nagy, akár több száz nanométeres távolságból is kölcsönhatnak egymással.” Ez azt jelenti, hogy az egyatomos kvantumbiteket jóval távolabbra telepíthetjük egymástól, mint ahogy korábban bárki lehetségesnek gondolta. Így rengeteg helyünk marad a klasszikus áramköri elemek – összeköttetések, kontrollelektródok és kiolvasó berendezések – közbeiktatására, miközben a kvantumbit precíz atomi természetét is megőrizzük.”

Eljön a kvantumszámítógépek kora

Morello megítélése szerint Tosi ötlete jelentőségben összemérhető Bruce Kane 1998-ban publikált, alapvető fontosságú cikkével, amelyet az akkoriban szintén az UNSW-n dolgozó kutató a Nature folyóiratban publikált. Kane volt az, aki elsőként vázolta fel, miként lehetne szilícium alapú kvantumszámítógépet építeni, s ezzel előkelő kezdőpozíciót biztosított Ausztráliának a kvantumszámítógép tényleges létrehozásáért folytatott versenyben. „Kane cikkéhez hasonlóan Tosi ötlete is egyelőre csak egy felvetés, egy elmélet – a tényleges kvantumbitet még létre kell hozni. De a kezünkben lévő előzetes kísérleti eredmények alátámasztják, hogy az elképzelés teljességgel megvalósítható, úgyhogy most teljes erőnkkel azon dolgozunk, hogy ezt be is bizonyítsuk” – nyilatkozta Morello.

Sokak szemében a kvantumszámítógép megépítése az a leküzdésre váró ambiciózus feladat a mai kornak, ami az űrbe jutás volt a XX. századnak. A kvantumszámítógépek ereje és gyorsasága abban rejlik, hogy a kvantumrendszerek a különböző kiindulási állapotok többféle szuperpozícióját egyszerre tudják kezelni, és tény, hogy egy működő kvantumszámítógép olyan számítások technikai feltételét teremtené meg, amelyek nélküle kivitelezhetetlenek. A lehetséges felhasználási területeinek pedig se szeri, se száma: az egészségügy, a honvédelem, a pénzügyek, a kémiai és anyagtudományi kutatások, a szoftvervisszafejtés, a légi- és űrközlekedés mind óriásit profitálhatna belőle.