Kwantowa bramka logiczna w zwykłym krzemowym czipie: jesteśmy o krok od masowej produkcji

Dzięki jednemu osiągnięciu australijskich fizyków, komputerykwantowe znalazły się w zasięgu ręki. Co więcej, wygląda na to,że pod względem ich produkcji nie będą się zasadniczo różniłyod komputerów klasycznych. Na łamach magazynu Nature pojawiła sięwłaśnie praca pt. A two-qubit logic gate in silicon, opisująca kwantową bramkęlogiczną, która do działania nie potrzebuje egzotycznych strukturfizycznych, lecz zbudowana jest z nieco przekształconychtranzystorów.

Pierwszą realizację krzemowego kubitu, najmniejszej jednostkiinformacji kwantowej, mogącej znajdować się w dowolnejsuperpozycji dwóch stanów kwantowych, ten sam australijski zespółpokazał w 2012 roku. Wzbudziło to spore zainteresowanie – do tejpory kubity realizowano w takich egzotycznych strukturach jak jony wpułapkach magnetycznych, kropki kwantowe czy pojedyncze fotony. Samjednak pojedynczy kubit niewielką ma wartość, kwantowe algorytmywymagają wykorzystania układów kubitów, z których można budowaćuniwersalne dwukubitowe bramki logiczne. Ze względów technicznychnikomu dotąd jednak nie udało się zbudować w krzemie takiejbramki, na drodze do tego stały problemy z parowaniem i defazowaniemkubitów w półprzewodnikach.

W pracy opublikowanej przez zespół pod kierownictwem dr MennoVeldhorsta z Centrum Informatyki Kwantowej australijskiegoUniwersytetu Nowej Południowej Walii przedstawiona zostaładwukubitowa bramka logiczna CNOT(sterowane zaprzeczenie), wykorzystująca pojedyncze spiny wizotopowo wzbogaconym krzemie. Jak wyjaśnia Veldhorst, wykorzystanoistniejące już w czipie krzemowym tranzystory – przekształconoje w kubity wymuszając powiązanie każdego z jednym tylkoelektronem, a następnie zapisując wartości zerojedynkowe na spinieelektronu.

Co najważniejsze, to rozwiązanie ma się dobrze skalować –zespół opatentował już projekt pełnowymiarowego czipukwantowego, zawierającego miliony sprzężonych kubitów, którybędzie w stanie wykonać wszystkie typy kwantowych algorytmów, anie tylko kwantowewyżarzanie, jak to jest w maszynach firmy D-Wave. Teraz naukowcyposzukują partnerów biznesowych, którzy pomogą im w rozpoczęciuprodukcji na skalę masową.

Pojawienie się takich kwantowych czipów oznacza jedno – możemypomachać chusteczką na pożegnanie obecnie używanym asymetrycznymszyfrom. Szyfry symetryczne, takie jak AES, Serpent czy Twofish niesą zagrożone. Bruce Schneier wyjaśnia tę kwestię w swoimartykulez 2009 roku – nawet kwantowe komputery nie są w stanie siłowoprzeszukać przestrzeni kluczy, oferowanej przez 256-bitowy kluczsymetryczny. Do tego musielibyśmy dysponować energią porównywalnądo wybuchu supernowej. Jeśli zaś chodzi o kryptografię na bazieklucza publicznego, to też nie wszystko stracone – znane są jużi zbadane algorytmy takie jak NTRUEncrypt, odporne na maszynykwantowe.

W tej sytuacji twierdzenia, że oto bliski jest koniecprywatności, wydają się przesadzone. Opracowane przezAustralijczyków techniki produkcji czipów kwantowych, zgodne zewspółczesną technologią CMOS, przyniosą radykalny zmiany wtakich dziedzinach jak przeszukiwanie baz danych, projektowaniecząsteczek chemicznych czy badania w dziedzinie nowych materiałów.

Zainteresowanych zapoznaniem się bliżej z tym osiągnięciem nauki zapraszamy do darmowego źródła, pracę udało się nam znaleźć na arXiv.org.