Elkészült az első működő kvantumprocesszor

A Yale Egyetem kutatói megalkották az első kezdetleges elektronikus kvantumprocesszort, újabb fontos lépést téve a kvantumszámítógép felé vezető úton.

A két qubites, vagyis kvantumbites chippel sikerült két egyszerű, kifejezetten kvantumrendszerekre írt algoritmust futtatni. Az egyik egy egyszerű keresés, a Grover-algoritmus, ami először demonstrálta a kvantuminformáció feldolgozást egy szilárdtest eszközzel. Bár processzoruk csak pár nagyon egyszerű kvantumfeladat elvégzésére képes, amit korábban már atomokkal és fotonokkal is demonstráltak, a szilárdtest eszköznek nincs szüksége túlzottan specializált közegre, lézerekre és ionokra, melyeket rendkívüli erejű mágneses mezők segítenek, emelte ki Robert Schoelkopf, a Yale fizika és alkalmazott fizika professzora, a kutatás egyik vezetője.

Ahhoz hogy valami hétköznapibbra emlékeztető, kézzelfoghatóbb megoldást kapjanak egy szilárdtest alapú rendszerre volt szükség. Ugyanakkor nem szabad túlzott párhuzamot vonni a hétköznapi processzorokkal: a Yale eszköze alig valamivel az abszolút nulla fok fölött működik és speciális hűtési technikákat igényel.


A két-qubites processzor az első szilárdtest kvantumprocesszor, ami egy hagyományos számítógépes chipre emlékeztet és algoritmusok futtatására is alkalmas
A kvantumprocesszor két úgynevezett transmon qubitből tevődik össze. Ezek egy nióbiumrétegből és egy alumínium-oxid ostyából álló szupravezető anyag parányi darabjai, melyekbe barázdákat martak. A barázdák között az elektromos áram képes az "alagutazásra" - ez a kvantumvilág egy különleges tulajdonsága, ahol a hullámok és a részecskék úgy jutnak át az akadályokon, hogy nem törik át azokat. A két qubit, melyeket egy mikrohullámú üreg választ el egymástól, két különböző energiaállapotot foglalhat el, ami megfelel a hagyományos számítógépek bitjei által felvett egyeseknek és nulláknak, azonban a kvantummechanika törvényeit kihasználva a tudósoknak sikerült úgynevezett "szuperpozícióba" helyezni a qubiteket, vagyis egy időben több állapotot is felvettek, lehetővé téve a nagyobb információtárolást és számítási teljesítményt.

A demonstráció során lefuttatott számítások bár egyszerűek, egészen mostanáig nem voltak lehetségesek szilárdtest qubitekkel, részben azért, mert a tudósoknak nem sikerült néhány nanoszekundumnál tovább fenntartani egy qubitet. Schoelkopf változata már egy mikroszekundumig képes fennmaradni, ami elegendő idő az egyszerű algoritmusok lefuttatására. A műveletek elvégzéséhez a qubitek az őket összekötő "kvantumbuszokon" keresztül kommunikálnak egymással, melyeken fotonok szállítják az információt. Ez a Yale kutatóinak egy korábbi fejlesztése.

Az eredmények kiolvasásához egy mikrohullámú jelet használtak, ami ugyanolyan frekvenciával rendelkezik, mint az üreg mikrohulláma. "Az üreg a qubit állapotának megfelelő frekvencián rezeg. A jel átküldésével meg tudjuk állapítani az üreg állapotát, ezáltal kiolvashatjuk az eredményt" - mondta Leonardo DiCarlo fizikus, a Nature szaklapban megjelent tanulmány társszerzője.

Következő lépésként az amerikai csapat a qubitek fennmaradásának idejét szeretné megnövelni, hogy a hosszabb kvantumállapotot kiaknázva jóval összetettebb algoritmusokat is futtathassanak. Emellett több qubitet is kapcsolnának a kvantumbuszhoz, a számítási teljesítmény ugyanis exponenciálisan nő minden egyes hozzáadott kvantumbittel, magyarázta Schoelkopf. Más kérdés, hogy kettőnél több qubit alkalmazása esetén valamilyen más kiolvasási technikát kell kieszelni.

Összességében elmondhatjuk, továbbra is jó időbe fog telni mire kvantumszámítógépekkel oldhatjuk meg a komplex problémákat.