Kubity Andriejewa budują fundamenty platform komputerów kwantowych
Zdaniem wielu ekspertów zajmujących się informatyką, przyszłość należy do komputerów kwantowych. Technologia ta wykorzystuje fakt, że materia składa się zarówno z cząstek, jak i fal, aby znacząco zwiększyć moc obliczeniową. Co więcej, możliwości te mogą posłużyć stawieniu czoła wielu wyzwaniom, przed którymi stoi nasz świat, począwszy od kryptografii zapewniającej bezpieczeństwo łączności, kończąc zaś na metodach opracowywania nowoczesnych i dostosowanych do potrzeb pacjentów leków. Problemem wciąż pozostaje jednak przełożenie koncepcji na działające komputery kwantowe. W pogoni za tymi rewolucyjnymi rozwiązaniami wiele zespołów badawczych na całym świecie stara się pokonywać kolejne przeszkody stojące na drodze rozwoju tej technologii. Jednym z nich jest zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu AndQC, który pracował nad szeregiem teoretycznych i praktycznych problemów związanych z opracowaniem półprzewodnikowej platformy kwantowej. „Nasza praca nad badaniem kanałów półprzewodnikowych osadzonych w nadprzewodnikowych obwodach kwantowych pomoże położyć podwaliny pod dalsze badania stosowane w tej przełomowej dziedzinie”, wyjaśnia Attila Geresdi, koordynator projektu. Potwierdza to 88 publikacji naukowych.
Kubity Andriejewa
W świecie komputerów kwantowych bity kwantowe, które nazywamy kubitami, pełnią tę samą funkcję, którą w konwencjonalnych komputerach realizują konwencjonalne bity binarne przyjmujące stany „0” lub „1” - są podstawowymi jednostkami informacji, które umożliwiają wykonywanie operacji. Zespół projektu AndQC był szczególnie zainteresowany konkretnymi kubitami zwanymi kubitami Andriejewa, charakteryzującymi się wyjątkowymi możliwościami. Kubity Andriejewa obejmują różne poziomy, na których znajduje się zero, jeden lub dwa elektrony, z których każdy ma inne właściwości nadprzewodzące. Projekt AndQC koncentrował się na kubicie spinowym Andriejewa, który zapewnia możliwość bezpośredniego sprzężenia spinu pojedynczego elektronu z prądem elektronowym płynącym wokół niego. Dokonany niedawno przez zespół Węzła Kopenhaskiego przełom polegający na osadzaniu nadprzewodników z czystymi złączami na nanostrukturach półprzewodnikowych, toruje drogę do budowy platformy opartej na kubitach Andriejewa. W tego rodzaju urządzeniach bramkowanie elektrostatyczne może dostroić częstotliwość kubitu, zapewniając elastyczność i skalowalność. Zespół AndQC wykazał możliwość skutecznego kontrolowania kubitów Andriejewa, wraz z różnymi koncepcjami sprzężenia i kombinacjami materiałów. Rezultaty zostały zestawione z uznanymi skalowalnymi półprzewodnikowymi technologiami kwantowymi, w szczególności półprzewodnikowymi kubitami spinowymi i nadprzewodnikowymi obwodami kwantowymi. Wykorzystanie tego rozwiązania w platformie półprzewodnikowej będzie zależeć od wysokiej jakości nanodrutów półprzewodnikowych i dwuwymiarowych heterostruktur półprzewodnikowych, wraz z czystymi przewodami nadprzewodnikowymi. „Znacząco podnieśliśmy poziom gotowości platform kwantowych opartych na kubitach Andriejewa”, dodaje Geresdi. „Wyzwaniem pozostaje jednak wytwarzanie kubitów, a także znalezienie odpowiedniego połączenia materiałów półprzewodnikowych i nadprzewodnikowych”. Zespół zbadał również niezbadane dotąd fermionowe metody obliczeń kwantowych. Fermiony to grupy cząstek o tożsamych właściwościach spinowych, w tym protony, neutrony, elektrony, neutrina i kwarki. Zastosowanie tego podejścia może pozwolić na bardziej wydajną symulację elektronów (które same w sobie stanowią fermiony) w cząsteczkach i nowych materiałach, co rozwiąże wybrane problemy stojące na drodze do realizacji komputerów kwantowych. W ramach projektu powstał także plan doświadczalnej realizacji fermionicznych obliczeń kwantowych z wykorzystaniem kubitów Andriejewa.
Kwantowy przełom
Technologie kwantowe, w szczególności komputery kwantowe, są strategicznie istotnym obszarem badań dla Unii Europejskiej, o czym świadczy inicjatywa Quantum Flagship i miliardy euro dostępne na jej rozwój. „Ze względu na ograniczony zakres prac, które skupiały się na badaniu kubitów Andriejewa, chcemy przejść do ich praktycznego wdrożenia, co przybliży nas do komercjalizacji rezultatów na rynku europejskim. Partnerstwa publiczno-prywatne mogą przyczynić się do realizacji tego działania - liczymy na wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Innowacji”, podsumowuje Geresdi.
Słowa kluczowe
AndQC, kwantowe, komputery, kubity, nanoskala, półprzewodnik
