Kizárólag elektronokból áll a forradalmi mesterséges atom

2020.02.23. 13:12

Csak elektronokból álló mesterséges atomokat hoztak létre az ausztrál Új-Dél-Wales-i Egyetem kutatói. A szilícium chipbe zárt műatomok kvantumbitként – a kvantumszámítógép működési alapegységeként – funkcionálnak, méghozzá megbízhatóbban, mint a korábbiak.

Kvantumpötty helyettesíti az atommagot

A sydney-i Új-Dél-Wales-i Egyetem (University of New South Wales, UNSW) kvantummérnökei a Nature Communications-ben írják le, miként hoztak létre mesterséges atomokat szilícium „kvantumpöttyökben". A kvantumáramkör parányi régióiban csapdába ejtett elektronok a kvantuminformáció alapegységeként, vagyis kvantumbitekként működtethetők.

Egy atom művészi illusztrációja. Az atommag körül keringenek az elektronokForrás: FORRÁS: HTTPS://NEWSROOM.UNSW.EDU.AU

A kutatócsoport vezetője, Andrew Dzurak elmagyarázta: a valódi atomokkal ellentétben a mesterséges atomnak nincs atommagja, az elektronok itt a kvantumpötty középpontja körül szerveződnek elektronhéjakba.

Az atommag körül az elektronok felhőt alkotnakForrás: Wikimedia Commons

„A mesterséges atomok létrehozásának gondolata nem újkeletű; 

elméleti alapon már az 1930-as években felvetették, 

és a lehetőséget kísérletesen az 1990-es években bizonyították is, igaz, nem szilícium alapon. Az első, kezdetleges szilíciumalapú változatot mi hoztuk létre 2013-ban – ismertette a professzor, aki az UNSW-n belül működő Australian National Fabrication Facility igazgatója.

Elemi részecskék a kvantum atommodellben (számítógépes illusztráció)Forrás: Science Photo Library/PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Pasieka

– A friss eredményeinkből az izgat minket a leginkább, hogy a nagyobb számú elektront tartalmazó mesterséges atomok sokkal stabilabb kvantumbiteket alkotnak, mint amilyet korábban lehetségesnek gondoltunk, s ez azt jelenti, 

hogy megbízhatóan alkalmazhatók a kvantumszámítógépekben végzett műveletek céljára. 

Ez azért lényeges, mert az egyetlen elektronon alapuló kvantumbitek nagyon megbízhatatlanul tudnak viselkedni."

Mesterséges periódusos rendszer a láthatáron

Dzurak az általuk létrehozott különféle mesterséges atomok gyűjteményére úgy tekint, mint egyfajta alternatív periódusos rendszerre, ami a professzor szerint pont stílusos is, hiszen az úttörő munka évében, 2019-ben ünnepelhettük a Periódusos Rendszer Nemzetközi Évét.

Dimitrij Mengyelejev orosz kémikus (középen jobbra) a periódusos rendszer megalkotójaForrás: AFP/Ria Novosty/Debabov Dmitry

„Középiskolai kémia óráira visszagondolva bizonyára mindenki emlékszik a falon lógó poros táblázatra, amely az összes ismert elemet az általuk birtokolt elektronok száma szerint rendszerezte. Kezdődött a hidrogénnel, egy elektron; aztán jött a hélium, két elektron, majd a lítium, három elektron, és így tovább. Valószínűleg az is rémlik, hogy amint nő az atomok tömege, és egyre több elektront tartalmaznak, 

ezek az elektronok pályáknak nevezett energiaszintekbe rendeződnek, 

és a pályák elektronhéjakat alkotnak – idézi fel számunkra az alapokat Dzurak.

A Mengyelejev-féle periódusos rendszerForrás: Varga Szabolcs

– Nos, úgy tűnik, hogy amikor egy kvantumáramkörben mesterséges atomokat hozunk létre, azok is ugyanilyen jól szervezett és megjósolható elektronhéjakkal rendelkeznek, mint természetes párjaik a periódusos rendszerben."

Így épül a mesterséges atom

Dzurak és munkatársai az UNSW Elektromérnöki Tanszékén – köztük Ross Leon PhD-hallgatóval, a cikk vezető szerzőjével, és az eredmények elméleti értelmezéséért felelős Dr. Andre Saraivával – egy szilíciumalapú kvantumeszközt konfiguráltak oly módon, hogy vizsgálni tudják benne a mesterséges atomok elektronjainak stabilitását. 

Egy fém felületű kapuelektród segítségével feszültség alá helyezték a szilíciumot, 

hogy onnan a mobilizálható elektronokat egy kvantumpötty – egy elképzelhetetlenül apró, mindössze 10 nanométeres átmérőjű pont – köré vonzzák.

A mesterséges atom kizárólag elektronokból épül felForrás: Pioneering Minds

„A feszültség lassú emelésével újabb és újabb elektronokat húztunk be, egyiket a másik után. Így építettük ki fokozatosan a kvantumpöttyben a mesterséges atomot – ismertette Saraiva. – Egy valódi atom közepén ott ül a pozitív töltésű atommag, és körülötte háromdimenziós pályákba szerveződnek az elektronok. 

A mi esetünkben az atommag helyett a pozitív töltés a kapuelektródból ered, 

amelyet a szilíciumtól egy szilícium-oxid szigetelő réteg választ el.

Dr. Andre Saraivával irányításával egy szilícium-alapú kvantumeszközt konfiguráltakForrás: Science Alert

Az elektronok ez alatt a réteg alatt lebegve formálnak pályákat a kvantumpötty körül, amelyek – szemben az igazi atom gömbszerű elrendeződésével – egy lapos korongba szerveződnek."

Teljesülhetnek a tökéletes kvantumszámítógép kritériumai

A kísérleteket végző Leon elmondta: mindannyian arra voltak kíváncsiak, mi történik, amikor a beérkező elektron egy új, külső elektronhéjat kezd kiépíteni.

A periódusos rendszerben azok az elemek, amelyeknek egyetlen elektron alkotja a külső héjukat, a bal szélen, az első főcsoportban találhatók: a hidrogén, majd a lítium, a nátrium, a kálium és a többi.

A mesterséges atomok megalkotása a tökéletes kvantumszámítógép kifejlesztésének fontos állomásaForrás: Phys.org

„Amikor létrehozzuk a hidrogén, a lítium vagy a nátrium mesterséges megfelelőjét a kvantumpöttyben, lényegében azt a magányos elektront használjuk kvantumbitnek – tisztázta a kutató. 

– Mostanáig a szilícium eszközök atomi szintű tökéletlenségei megzavarták a kvantumbitek működését, 

ami megbízhatatlan és hibás viselkedést eredményezett. Most viszont azt látjuk, hogy a belső héjak elektronjai egyfajta támpontot nyújtanak a kvantumpötty tökéletlen felszínén: kisimítják a dolgokat, és stabilitást kölcsönöznek a külső héj elektronjának."

A kvantumbitek egyszerre vehetik fel a 0 vagy az 1-es értéketForrás: Express Computer

A szilíciumalapú kvantumszámítógépek megvalósulásának egyik alapvető kritériuma, hogy az elektronokat stabilan tartsuk, és viselkedésüket ellenőrzés alá vonjuk.

Ellentétben a klasszikus bitekkel, amelyek mindenkor vagy 0, vagy 1 állapotban vannak, a kvantumbitek egyszerre felvehetik mindkét értéket.

Forrás: AFP/Jean-Francois Monier

Ez lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógép egyszerre, és ne egymás után végezze a számításokat, 

ahogyan a hagyományos számítógép tenné. Ráadásul a kvantumszámítógép műveleti kapacitása a rendelkezésre álló kvantumbitek számának növekedésével exponenciálisan nő.

Az elektronok spinje hordozza az információt

„A kvantumbitek esetében az elektronok spinje hordozza az információt – magyarázza Dzurak. – A spin egy kvantummechanikai tulajdonság. Az elektront úgy képzelhetjük, mintha parányi forgó mágnes lenne, amelynek északi pólusa a perdület iránya szerint lefelé vagy felfelé mutat. 

Ez a két lehetséges állapot felel meg az 1-nek és 0-nak. 

Amikor az elektronok a valódi atomokban vagy a mi mesterséges atomjainkban teljes, lezárt elektronhéjat alkotnak, pólusaik úgy szerveződnek ellentétes irányokba, hogy a teljes rendszer eredő spinje zérus.

A flip flop kvantumbitek közötti összefonódás művészi ábrázolásaForrás: Tony Melov/UNSW

Ebben az állapotban nem használhatók kvantumbitnek. De ha hozzáadunk a rendszerhez még egy elektront, amely egy új héjat kezd kiépíteni, 

akkor ennek a párosítatlan elektronnak lesz spinje, így újból alkalmas kvantumbitnek. 

A mostani munkánkban azt mutattuk meg, hogy a mesterséges atomjaink külső héján található elektronok spinjét képesek vagyunk irányítani, így azok megbízható és stabil kvantumbitként viselkednek.

Forrás: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

Ez fontos, mert így mostantól sokkal kevésbé sérülékeny kvantumbitekkel dolgozhatunk. Egy magányos elektron nagyon esendő, míg egy 5 vagy 13 elektront tartalmazó mesterséges atom már jóval robusztusabb."

A következő lépés a mesterséges molekulák megalkotása lesz

Dzurak és csapata 2015-ben világelsőként mutatta be a kvantumlogika működését két szilíciumalapú kvantumbittel, és megjelentették egy teljes kvantumchip-architektúra terveit. Az általuk megálmodott kvantumchip gyártása ugyanazt a CMOS technológiát igényli, 

amellyel a valamennyi modern számítógép lelkét adó hagyományos szilíciumchipek készülnek. 

 

Forrás: D-Wave

„A CMOS technológia bevonásával lényegesen lerövidíthető a kvantumbitek millióit tartalmazó kvantumszámítógépek fejlesztési ideje – hangsúlyozta a professzor. – E számítógépek olyan globális jelentőségű feladatokat tudnak majd kezelni, mint az új gyógyszermolekulák vagy az energiafelhasználást csökkentő új kémiai katalizátorok tervezése."

Forrás: AFP/Science Photo Library/Mopic

Mostani munkájuk folytatásaként a UNSW kutatói azt fogják vizsgálni, hogyan alkalmazhatók a kémiai kötés szabályai a mesterséges atomokra, 

hogy egész mesterséges molekulákat alkothassanak. 

Ezekből aztán olyan több kvantumbites logikai kapukat építhetnek majd fel, amelyek elengedhetetlenek a nagyobb léptékű szilícium kvantumszámítógépek kivitelezéséhez.