Magyar kutatók mesterséges atomokra építenék a jövő kvantumszámítógépét

A fejlesztés felgyorsíthatja a kvantumszámítógépek elterjedését

A kvantumszámítógépek alapját jelentő kvantumbitek gyakorlati megvalósításához járulhat hozzá a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen (BME) működő Nanoelektronika és Egzotikus Kvantumfázisok Lendület-kutatócsoportok új eredménye. A magyar kutatók mesterséges atomok felhasználásával építenék a jövő kvantumszámítógépét - közölte a Magyar Tudományos Akadémia (MTA).

A kvantumszámítógépek az utóbbi években robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Működési elvük lényege, hogy számítási egységük a hagyományos, kétértékű (0 vagy 1) bit helyett a kvantumbit vagy qubit, amely a két érték tetszőleges kombinációját felveheti. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy már néhány tucat qubites kvantumszámítógépekkel is olyan problémák oldhatók meg másodpercek alatt, amelyekhez a sokmilliárd bites (vagyis néhány gigabájtos) memóriájú hagyományos számítógépeknek évszázadokra lenne szüksége - olvasható az MTA szerdai közleményben.

A beszámoló szerint a probléma, hogy míg a valós bitek milliárdjainak tárolása a mikrocsipekben manapság már teljesen rutinfeladat egy gyártó számára, a kvantumbitek gyakorlati megvalósítása még rengeteg nyitott kérdést tartogat. Extrém alacsony hőmérséklet, szupravezetés és számos technológiai bravúr szükséges ahhoz, hogy ez működjön és több potenciális technológia van versenyben a leghatékonyabb megvalósításért.

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

A kutatások egyik fontos célja, hogy a kvantumbiteket minél jobban elszigeteljék a környezeti hatásoktól. Az elszigeteltség mellett olykor viszont - amikor az adatokat akarják kiolvasni - kívülről kapcsolatba kell lépni a kvantumbitekkel és különböző elrendezésekben egymáshoz is csatolódniuk kell. A kutatók szerint számos problémán segít, ha eleve olyan kvantumbiteket alkalmaznak, amelyek kevésbé érzékenyek a környezeti hatásokra.

A beszámoló szerint az elmúlt években több olyan kvantumbit-koncepciót dolgoztak ki a tudósok, amelyek szupravezetők környezetében létrehozott alacsony energiájú állapotokon alapulnak. Ezeknél az az elméleti várakozás, hogy sokkal ellenállóbbak a környezet hatásaival szemben, mint korábbi társaik. Az egyik ilyen a beszámoló szerint a Yu-Shiba-Rusinov (YSR) állapot, amely egy szupravezető felszínéhez közel helyezett ferromágneses atom körül jön létre. Ez az állapot azonban csak a ferromágneses atom körüli igen kicsiny térrészben alakul ki, és elképesztően precíz, valamint körülményes módszerekre van szükség ahhoz, hogy az egyedi atomokat kellően közel helyezzék egymáshoz. Márpedig ez a közelség létfontosságú a kvantumbitek egymáshoz csatolásához és így a reménybeli kvantumszámítógép működéséhez - írják a közleményben.

Kvantumszámítógép művészi illusztrációja Forrás: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

A BME Nanoelektronika Lendület-kutatócsoport munkatársai mesterséges atomok használatával kerülnék meg ezt a problémát. Egy atomban a protonokat magában foglaló atommag egy erős pozitív töltésű potenciált hoz létre, ami magához csapdázza a negatív töltésű elektronokat. Mint írják, a nanotechnológiának köszönhetően napjainkban mesterségesen is létre tudnak hozni pozitív csapdázó potenciált, amely képes elektronokat befogni. Az ilyen mesterséges atomok nagy előnye, hogy a becsapdázott elektronok számát a csapda hangolásával lehet változtatni. Mesterséges atomokat napjainkban már viszonylag elérhető technológiákkal, üzembiztosan létre lehet hozni.

A magyar kutatók indium-arzenid (InAs) félvezetőből készült, 50-60 nanométer vastag és néhány mikrométer hosszú nanopálcákat használtak. A nanopálcákhoz fém kapuelektródák csatlakoztak, amelyekkel egy-egy kis térrészben csapdázni tudták az elektronokat, mesterséges atomot létrehozva. Ezután hozzákapcsolták e mesterséges atomokat egy szupravezető elektródához és megfigyelték, hogy mi történik. A kutatók nagy örömére létrejött az YSR-állapot, amit a szupravezető elektróda áramának mérésével tudtak vizsgálni. A kísérletekből kiderült, hogy ez esetben az YSR-állapot kiterjedése nagyságrendekkel nagyobb volt, mint a valódi atomok használatánál mért néhány nanométeres érték.

Illusztráció Forrás: AFP/Science Photo Library/Mopic

Mesterséges atomok létrehozhatók egymástól ilyen távolságra, akár a mai nanotechnológiai eljárásokkal, ipari méretekben is. Ez az eredmény tehát utat nyit mesterséges, egymáshoz csatolt elemeket tartalmazó YSR-láncok elkészítése felé, amelyek új technológiai alapot jelenthetnek a kvantumszámítógépeknek.

Az eredményt a Nature Communications tudományos folyóirat közölte, különlegessége, hogy a munka nagy részét a BME "lendületes" kutatói vitték végig. A kutatás következő lépése, hogy a kutatók az így létrehozott YSR-állapotok kölcsönhatásait vizsgálják.

A nanoelektronikai kutatócsoportot Csonka Szabolcs alapította 2010-ben. A kutató 2010-ben elnyerte az Európai Kutatási Tanács rangos ERC Starting grantjét, amelyből egy új extrém alacsony hőmérsékletű mérőlabort épített ki a BME Fizika Tanszékén, valamint meghonosította a nanoáramkörök készítésének technikáját az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetével együttműködve. 2017-ben elnyerte a Lendület-ösztöndíjat, akkor alakult meg a BME Nanoelektronika Lendület-kutatócsoport.

A most bemutatott kutatás két BME-s Lendület-kutatócsoport együttműködése: a nanoelektronikai csoport mellett a méréseket számításokkal segítette a Zaránd Gergely által vezetett Egzotikus Kvantumfázisok Lendület Kutatócsoport. A közleményben nemzetközi kutatópartnerek is együttműködtek: a bázeli nanoelektronika csoport és a Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézete.