La maturitate, tehnologia ar putea găzdui milioane de qubiți pe cip
O nouă abordare a calculului cuantic ar putea ocoli unul dintre cele mai mari blocaje ale domeniului – scalabilitatea. Cercetătorii de la EeroQ, un startup din Chicago, au demonstrat un sistem care captează electroni individuali care plutesc pe suprafața heliului lichid, formând baza pentru un qubit extrem de stabil și ușor de fabricat.
Cea mai mare provocare a calculului cuantic nu mai este demonstrarea faptului că conceptul funcționează – ci găsirea unei modalități de a face tehnologia practică la scară largă. Arhitecturile de qubiți de astăzi, fie că se bazează pe bucle supraconductoare sau pe ioni captivi, sunt sensibile, scumpe și dificil de produs în masă. Multe necesită medii ultra-reci, aproape de zero absolut. Unele sisteme au nevoie, de asemenea, de kilometri de cabluri de control pentru a gestiona doar câteva sute de qubiți. Abordarea EeroQ ar putea elimina unele dintre aceste obstacole, bazându-se pe procese mature de fabricare a semiconductorilor și pe un mediu care oferă în mod natural stabilitatea necesară.
„Dacă aduci o particulă încărcată, cum ar fi un electron, aproape de suprafață, deoarece heliul este dielectric, va crea o mică sarcină imagine dedesubt, în lichid,” a spus Johannes Pollanen, directorul științific al EeroQ.
Proprietățile neobișnuite ale heliului lichid fac această configurație și mai atractivă. Elementul devine un superfluid la temperaturi criogenice, curgând prin canale microscopice fără frecare. Drept urmare, heliul poate aluneca lin pe un cip gravat cu șanțuri înguste care rețin și transportă electroni. Folosind un filament de tungsten, cercetătorii au creat un rezervor de electroni pe suprafața heliului și i-au direcționat în „capcane” electromagnetice de pe suprafața cipului. Prin ajustarea barierelor energetice ale fiecărei capcane, au putut să o umple cu zeci de electroni, apoi să-i elibereze treptat până a rămas doar unul.
Conceptul din spatele sistemului EeroQ datează de mai bine de o jumătate de secol, de la experimente timpurii care arătau că electronii puteau pluti deasupra heliului lichid în loc să se scufunde în el. Când un electron încărcat negativ se apropie de suprafața lichidului, heliul induce o sarcină „imagine” pozitivă slabă sub el. Electronul este atras de această imagine, dar nu poate intra în lichid, rămânând suspendat chiar deasupra suprafeței. Rezultatul este un electron stabil, izolat, care plutește într-un vid aproape perfect.
Detectarea și controlul acelui singur electron este ceea ce transformă fizica într-un qubit. Electrozii care flanchează capcana formează un rezonator a cărui frecvență se schimbă în funcție de numărul de electroni prezenți. Măsurarea schimbării a confirmat că cercetătorii puteau izola un singur electron pe termen nelimitat. Următorul pas este codificarea informației în spinul electronului – proprietatea care îi definește orientarea într-un câmp magnetic. Cercetătorii au încercat deja tehnici similare în puncte cuantice și impurități de siliciu, dar acele materiale introduc zgomot și interferențe.
Designul EeroQ profită, de asemenea, de aceleași procese CMOS utilizate pentru a construi cipurile convenționale. Inginerii pot fabrica capcanele, electrozii și circuitele de control folosind o tehnologie relativ matură, în loc de nanolitografie de ultimă generație. Pollanen a spus că acest lucru ar putea permite rețele care conțin milioane de qubiți pe o singură plachetă, menținând în același timp cablajul de control suficient de compact pentru a extinde adresarea digitală la dispozitive individuale. Această combinație de scalabilitate și simplitate este ceea ce diferențiază designul de sistemele de qubiți mai complexe.
Tehnologia rămâne nedovedită în aplicații practice, și mai este mult de lucru pentru a demonstra qubiți funcționali, operații de poartă și integrare la scară largă. Compania intenționează în cele din urmă să codifice fiecare qubit folosind doi electroni cu spini opuși pentru a reduce decoerența cauzată de neregularitățile magnetice.
„Dacă mișcăm electronii, ei vor experimenta niște câmpuri magnetice neomogene de la magnetul de care avem nevoie pentru cuantificarea spinului,” a declarat Pollanen pentru Ars Technica. „Dar dacă creezi un qubit din doi electroni cu spin opus, orice decoerență care i se întâmplă unuia va fi anulată în celălalt.”
Inginerii pot apoi să miște electronii pe cip pentru a efectua operații logice și întrepătrundere (entanglement) – interacțiuni esențiale pentru calculul cuantic. Cercetări anterioare au arătat deja că un singur electron poate parcurge distanțe considerabile (peste un kilometru) fără a-și pierde stabilitatea, sugerând că arhitectura mobilă a EeroQ ar putea fi fezabilă.
