Zásadní pokrok v kvantovém výzkumu
Kvantovým inženýrům z University of New South Wales v Sydney se zřejmě podařilo překonat hlavní problém, který bránil, aby se plnohodnotné kvantové počítače staly realitou.
Vědci vyvinuli novou techniku, s jejíž pomocí bude možné spolehlivě ovládat nejen několik, ale miliony spin qubitů, které představují základní jednotky informací v křemíkovém kvantovém procesoru. Tím vyřešili letitý problém.
Až dosud totiž kvantoví počítačoví inženýři a vědci pracovali s modelem kvantových procesorů založeným na důkazu konceptu tím, že předvedli ovládání jen několika málo qubitů. Ale nejnovější výzkum, který doktor Jarryd Pla z fakulty elektrotechniky a telekomunikací a profesor Andrew Dzurak z UNSW (University of New South Wales) publikovali v Science Advances, popisuje řešení, které výzkumníci charakterizují jako „chybějící kousek skládačky“ v kvantové počítačové architektuře, jež by měla umožnit kontrolu nad miliony qubitů potřebných pro mimořádně složité výpočty.
V křemíkových kvantových procesorech jsou informace uloženy v jednotlivých elektronech, které jsou zachyceny pod malými elektrodami na povrchu čipu – qubit je zakódován do spinu elektronu. Je možné si ho představit jako malý kompas uvnitř elektronu, jehož střelka může ukazovat na sever nebo na jih, což představuje stavy 0 a 1. Pro nastavení do stavu superpozice (0 i 1), operaci používanou ve všech kvantových výpočtech, musí být řídicí signál nasměrován na požadovaný qubit.
Dosud bylo ovládání elektronových spinových qubitů řešeno pomocí mikrovlnných magnetických polí generovaných dodáváním proudu prostřednictvím vodiče hned vedle qubitu. Tato technika měla ovšem řadu omezení: magnetická pole se vzdáleností rychle slábnou, takže umožňovala spolehlivě ovládat pouze qubity nejblíže vodiče, a pro větší počet qubitů by bylo nutné přidávat další vodiče, což by zabíralo spoustu prostoru na čipu. A protože čip musí pracovat při teplotách pod mínus 270 °C, zavedení více vodičů by generovalo příliš mnoho tepla, což by narušilo spolehlivost qubitů.
K řešení tohoto problému museli vědci provést kompletní přestavbu struktury křemíkového čipu. Místo velkého počtu řídicích vodičů na stejném čipu, se zabývali proveditelností generování magnetického pole shora nad čipem, které by mohlo manipulovat se všemi qubity současně. Tento koncept byl navržen už v 90. letech, ale až dosud nikdo nevyvinul způsob, jak to udělat.
Australští výzkumníci vymysleli nové řešení, jak dodat magnetická pole mikrovlnné frekvence v celém systému. Představili novou součástku přímo nad křemíkovým čipem – krystalový hranol nazvaný dielektrický rezonátor. Ten umožňuje dodat magnetická pole mikrovlnné frekvence v celém systému. Rezonátor, do kterého jsou mikrovlny nasměrovány, zaostří jejich vlnovou délku na mnohem menší velikost (pod jeden milimetr), což umožňuje velmi účinnou přeměnu mikrovlnné energie na magnetické pole, které řídí otáčky všech qubitů.
Podle vědců jsou u nového objevu dvě klíčové novinky – k vytvoření silného hnacího pole pro qubity není nutné vynaložit mnoho energie (tzn., nevzniká tolik tepla), a pole je napříč čipem velmi jednotné, takže miliony qubitů mají stejnou úroveň kontroly.
Nicméně přestože vědci vyvinuli technologii prototypu rezonátoru, neměli křemíkové qubity, na nichž by mohli své řešení vyzkoušet. Spojili se tedy s profesorem Andrewem Dzurakem, jehož tým vyvinul první a nejpřesnější kvantovou logiku využívající stejnou technologii výroby křemíku, jaká se používá k výrobě konvenčních počítačových čipů. „Problém, jak ovládat miliony qubitů, byl hlavní překážkou pro stavbu kvantového počítače v plném rozsahu. V zásadě bychom nyní mohli dodat kontrolní pole až do čtyř milionů qubitů,“ konstatuje Jarryd Pla.
Vědci plánují použít novou technologii ke zjednodušení návrhu křemíkových kvantových procesorů. „Odstraněním ovládacího kabelu na čipu se uvolní místo pro další qubity a veškerou elektroniku potřebnou k vybudování kvantového procesoru, takže přechod k dalšímu kroku výroby zařízení s několika desítkami qubitů bude mnohem jednodušší,“ říká prof. Dzurak. Ke kvantovým počítačům využívajícím tisíce qubitů schopných modelovat mimořádně složité systémy, tak může být nyní možná méně než 10 let. I když ještě existují technické problémy, které je třeba vyřešit, než bude možné vyrobit procesory s milionem qubitů, už mají vědci způsob, jak je ovládat.
Lachlan Glibert
Foto: Tony Melov, Serwan Asaad / UNSW
112
.gif)
