Kvantumszámítógép kézzelfogható közelségben: megvan az első elektronikus kvantumprocesszor

A Yale University kutatóinak egy csoportja megalkotta az első elemi szilárd félvezető kvantumprocesszort, ami egy újabb lépést jelent a végső cél, a kvantumszámítógép megépítése felé. A két qubit-es (lásd később) szupravezető chipen olyan elemi algoritmusokat futtattak, mint az egyszerű keresés, így az első alkalommal mutatták be kvantum-információ feldolgozását egy szilárd félvezető eszközön. Tanulmányuk online változata a Nature-ben jelent meg június 28-án.

"Processzorunk csak néhány nagyon egyszerű kvantum-feladat végrehajtására képes, melyeket már korábban is bemutattak atommagokkal, atomokkal és fotonokkal - mondta Robert Schoelkopf, a Yale fizikaprofesszora - de ez az első alkalom, hogy mindez egy teljesen elektronikus készülékben lehetséges, ami sokkal inkább hasonlít egy szokásos mikroprocesszorra."

Mesterséges atomok

Az elméleti fizikusoknak Steven Girvin professzor által vezetett csoportja két mesterséges atomot avagy qubit-et (kvantum bitet) készített. Bár mindegyik qubit egymilliárd alumínium-atomból áll, úgy működnek, mint egyetlen atom, melynek két különböző energiaállapota van. Ezek az állapotok hasonlóak a hagyományos számítógépek rendes bitjeinek "1" és "0" vagy "on" és "off" állapotaihoz. Az intuíciónak ellentmondó kvantummechanikai törvények következtében azonban a tudósok hatékonyan helyezhetnek többszörös állapotú qubit-eket "szuperpozícióba" ugyanabban az időben, ami nagyobb információtárolást és feldolgozási teljesítményt tesz lehetővé.

Képzeljük el például, hogy négy telefonszámunk van, melyek egyike a barátunké, de nem tudjuk, hogy melyik. Ilyenkor általában két vagy három számot kell kipróbálni, mire sikerül a helyes számot tárcsázni. Egy kvantum-processzor azonban egyetlen próbálkozással képes megtalálni a megfelelő számot. "A számok egymás utáni hívását kvantummechanikával fel lehet gyorsítani. A négy számot szimultán ellenőrző hívás csak az egyetlen helyes számot engedi át" - magyarázza Schoelkopf.

Már a másodperc milliomod részéig léteznek

Bár egyszerűek az ilyenfajta számítások, eddig nem lehetett őket szilárd félvezető qubit-ek használatával elvégezni. Részben azért nem, mert nem léteztek elég sokáig megmaradó qubit-ek. Míg az első qubit-ek egy évtizeddel ezelőtt körülbelül egy nanoszekundumig tudták megőrizni kvantumállapotukat, Schoelkopf és csoportja ezerszeresére, egy mikroszekundumra növelte ezt az időt, ami már elég egy egyszerű algoritmus lefuttatásához. A qubit-ek egy "kvantum-busz"-t, fotonokat használnak az egymás közötti kommunikáció során a műveletek végrehajtásához. Ezek a fotonok továbbítják az információt a qubit-eket összekötő, a Yale csoportja által már korábban kifejlesztett vezetékeken.

A két qubit-es processzort lehetővé tevő megoldás a qubit-ek hirtelen "on" és "off" állapotokba kapcsolása volt, így azok gyorsan cserélnek információt, és csak akkor, amikor a kutatók azt akarják - mondja Leonardo DiCarlo, a Yale's School of Engineering & Applied Science alkalmazott fizikai posztdoktori munkatársa, a tanulmány vezető szerzője.

A jövőben a csoport növelni fogja azt az időt, ameddig a qubit-ek megőrzik állapotukat, így bonyolultabb algoritmusokat is le tudnak majd futtatni. További tervük több qubit összekötése a kvantum-busszal. A feldolgozás hatékonysága minden egyes qubit hozzáadásával exponenciálisan nő, így a kifejlesztendő kvantum-számítások lehetőségei hatalmasak. Azonban némi idő még hátra van addig, amíg a kvantum-számítógépek összetett problémák megoldására lesznek használhatóak - mondja Schoelkopf.

Posztobányi Kálmán

* * *

A tanulmány szerzői Leonardo DiCarlo, Jerry M. Chow, Lev S. Bishop, Blake Johnson, David Schuster, Luigi Frunzio, Steven Girvin and Robert Schoelkopf (mindnyájan Yale University), Jay M. Gambetta (University of Waterloo), Johannes Majer (Atominstitut der Österreichischen Universitäten) és Alexandre Blais (Université de Sherbrooke).
Hivatkozás: 10.1038/nature08121