Szykuje się rewolucja w architekturze komputerów kwantowych

Nieprzerwanie trwa wyścig o skonstruowanie pierwszego w pełni funkcjonalnego komputera kwantowego. Ważną cegiełkę do tego dzieła dołożyli właśnie inżynierowie z australijskiego Uniwersytetu Nowej Południowej Walii.

U podstaw koncepcji komputera kwantowego leży idea zastąpienia znanych nam wszystkim ich kwantowymi odpowiednikami – kubitami. Te pierwsze działają jak proste przełączniki, przebywające zawsze w jednej z dwóch pozycji: włączonej albo wyłączonej, oznaczanych zerem albo jedynką. Jednak w rzeczywistości kwantowej atom lub cząstka mogą pozostawać w kilku stanach na raz (superpozycja), przynajmniej dopóki są izolowane od środowiska. Otwiera to drogę do nieprawdopodobnych możliwości.

Problem polega na tym, że trudno mówić o użyteczności jednego kubitu. Prawdziwy potencjał projektu ujawnia się dopiero wtedy, gdy dysponujemy systemem cząstek pozostających ze sobą w stanie splątanym. Przykładowo 2 związane kubity potrafią przechowywać w tym samym momencie cztery kombinacje (00, 01, 11, 10), 3 kubity osiem, 4 szesnaście i tak dalej.

W pewnym sensie komputer kwantowy zachowuje się jak wiele maszyn dokonujących obliczeń równolegle. Dlatego, przynajmniej w przypadku niektórych operacji, kubity zapewnią nam bezkonkurencyjną wydajność.

Niestety dla inżynierów, zarówno superpozycja jak i stan splątany są zjawiskami o niezmiernie delikatnej naturze. Dotychczas manipulowano cząstkami uwięzionymi w polu magnetycznym, przepuszczając prąd przez biegnące w pobliżu przewody elektryczne. Sęk w tym, że natężenie pola spada wraz z odległością, więc każde zwiększenie liczby kubitów oznacza jednoczesne pomnożenie kabli, jak również potrzebnej przestrzeni oraz energii. Nie wolno też zapominać, że układ wymaga dla zachowania sprawności ekstremalnie niskich temperatur rzędu -270°C.

Jarryd Pla, Andrzej Dzurak oraz Ensar Vahapoglu z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii postulują zmianę w testowanej dotąd architekturze. Zamiast umieszczania tysięcy przewodów w jednym chipie, naukowcy z Sydney proponują możliwość generowania potrzebnego pola magnetycznego "znad" chipa. Pomysł nie jest całkiem nowy, ale przez lata nikt nie podjął się jego realizacji.

"Najpierw usunęliśmy przewody biegnące obok kubitów, a następnie wymyśliliśmy nowy sposób dostarczania magnetycznych pól kontrolnych o częstotliwości mikrofalowej do całego systemu. Tak więc w zasadzie pokazaliśmy, jak dostarczać pola kontrolne do nawet czterech milionów kubitów" – zachwala projekt Jarryd Pla.

Elementem, który umożliwił postęp okazał się rezonator dielektryczny, będący w praktyce czymś na kształt kryształowego pryzmatu. Zmniejsza on długość fali elektromagnetycznej i ułatwia jej rozprowadzenie po całym kwantowym układzie. Jak tłumaczą uczeni, ich metoda wprowadza dwie innowacje: "Po pierwsze, nie musimy wkładać dużej mocy, aby uzyskać silne pole, co oznacza, że ​​nie generujemy dużo ciepła. Po drugie, pole jest bardzo jednolite na całym chipie, dzięki czemu miliony kubitów mają dokładnie ten sam poziom kontroli".

Profesor Andrzej Dzurak twierdzi, że ten krok pozwoli ominąć główną przeszkodę w zbudowaniu pełnowartościowego komputera kwantowego, operującego już nie na kilkunastu, lecz milionach lub miliardach kubitów.

Więcej informacji znajdziesz w źródle: J. Pla, A. Dzurak, E. Vahapoglu, Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field, "Science Advances".