Ερευνητές δημιούργησαν την πιο καθαρή μορφή πυριτίου για κβαντικούς υπολογιστές!

Επιστήμονες δημιούργησαν μια βελτιωμένη, εξαιρετικά καθαρή μορφή πυριτίου που θα μπορούσε μια μέρα να αποτελέσει τη βάση για τη δημιουργία εξαιρετικά αξιόπιστων «qubits silicon-spin» σε ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές.

Καθώς τα bits στους κλασικούς υπολογιστές κωδικοποιούν τα δεδομένα είτε ως 1 είτε ως 0, τα qubits στους κβαντικούς υπολογιστές μπορούν να είναι μια υπέρθεση αυτών των δύο καταστάσεων – που σημαίνει ότι μπορούν να επιτύχουν μια κβαντική κατάσταση γνωστή ως «συνοχή» και να καταλαμβάνουν παράλληλα τόσο το 1 όσο και το 0 κατά την επεξεργασία των υπολογισμών.

Αυτοί οι υπολογιστές θα μπορούσαν δυνητικά να είναι δραματικά πιο ισχυροί από τους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο, αλλά θα χρειάζονταν περίπου ένα εκατομμύριο qubits για να το επιτύχουν αυτό, σύμφωνα με τους ερευνητές. Ο μεγαλύτερος κβαντικός υπολογιστής σήμερα διαθέτει περίπου 1.000 qubits.

Ωστόσο, μια βασική πρόκληση με την κβαντική πληροφορική είναι ότι τα qubits είναι «θορυβώδη», δηλαδή είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε διαταραχές, όπως οι μεταβολές της θερμοκρασίας, και πρέπει να ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Διαφορετικά, χάνουν εύκολα πληροφορίες και παρουσιάζουν αστοχία κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους.

Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και αν είχαμε έναν κβαντικό υπολογιστή με εκατομμύρια qubits, πολλά από αυτά θα ήταν περιττά ακόμη και με τεχνολογίες διόρθωσης σφαλμάτων, καθιστώντας το μηχάνημα εξαιρετικά αναποτελεσματικό.

Τα qubits κατασκευάζονται συνήθως από υπεραγώγιμα μέταλλα, όπως το ταντάλιο και το νιόβιο, επειδή διαθέτουν σχεδόν απεριόριστη αγωγιμότητα και σχεδόν απεριόριστη αντίσταση. Όμως, σε μια νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications Materials, οι ερευνητές πρότειναν τη χρήση μιας νέας, καθαρής μορφής πυριτίου – του υλικού ημιαγωγού που χρησιμοποιείται στους συμβατικούς υπολογιστές – ως βάση για ένα qubit που είναι πολύ πιο προσαρμόσιμο από τις υπάρχουσες τεχνολογίες.

Η κατασκευή qubits από ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο, το γάλλιο ή το γερμάνιο έχει πλεονεκτήματα έναντι των υπεραγώγιμων μεταλλικών qubits, σύμφωνα με την εταιρεία κβαντικών υπολογιστών QuEra. Οι χρόνοι συνοχής είναι σχετικά μεγάλοι, είναι φτηνά στην κατασκευή τους, λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και είναι εξαιρετικά μικροσκοπικά – που σημαίνει ότι ένα μόνο chip μπορεί να χωρέσει τεράστιο αριθμό qubits. Ωστόσο, οι προσμίξεις στα ημιαγώγιμα υλικά προκαλούν αποσυγκόλληση κατά τη διάρκεια των υπολογισμών, γεγονός που τα καθιστά αναξιόπιστα.

Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες πρότειναν την κατασκευή ενός qubit από πυρίτιο-28 (Si-28), το οποίο περιέγραψαν ως το «καθαρότερο πυρίτιο στον κόσμο», αφού αφαιρέθηκαν οι ακαθαρσίες που υπάρχουν στο φυσικό πυρίτιο. Αυτά τα qubits με βάση το πυρίτιο θα ήταν λιγότερο επιρρεπή σε αστοχίες και θα μπορούσαν να κατασκευαστούν σε μέγεθος κεφαλής καρφίτσας. 

Το φυσικό πυρίτιο αποτελείται συνήθως από τρία ισότοπα ή άτομα διαφορετικής μάζας, Si-28, Si-29 και Si-30. Το φυσικό πυρίτιο λειτουργεί καλά στους συμβατικούς υπολογιστές λόγω των μεταλλοειδών ιδιοτήτων του, αλλά προκύπτουν προβλήματα όταν χρησιμοποιείται στους κβαντικούς υπολογιστές.

Συγκεκριμένα, το Si-29, το οποίο αποτελεί το 5% του φυσικού πυριτίου, προκαλεί ένα «φαινόμενο πυρηνικής αναστροφής» που οδηγεί σε αποσυγκέντρωση και απώλεια πληροφοριών. Στη μελέτη, οι επιστήμονες κατάφεραν να το παρακάμψουν αυτό αναπτύσσοντας μια νέα μέθοδο για την κατασκευή πυριτίου χωρίς άτομα Si-29 και Si-30.

«Αυτό που καταφέραμε να κάνουμε είναι να δημιουργήσουμε ουσιαστικά ένα καθοριστικής σημασίας “τούβλο” που απαιτείται για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή με βάση το πυρίτιο», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Richard Curry, καθηγητής προηγμένων ηλεκτρονικών υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. «Είναι ένα καθοριστικό βήμα για να καταστεί εφικτή μια τεχνολογία που έχει τη δυνατότητα να είναι μετασχηματιστική για την ανθρωπότητα».

Τα εξαρτήματα για κβαντικούς υπολογιστές με βάση το πυρίτιο θα μπορούσαν θεωρητικά να κατασκευαστούν με τις ίδιες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κλασικών ηλεκτρονικών τσιπ, τα οποία μπορούν να χωρέσουν δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε μια μικροσκοπική πλακέτα, ανέφεραν οι ερευνητές. Τα qubits πυριτίου δεν είναι κάτι καινούργιο, αλλά η ποιότητα του πυριτίου δεν ήταν ποτέ τόσο καθαρή.

Τα qubits με βάση το πυρίτιο θα μπορούσαν επίσης να κατασκευαστούν πολύ πιο εύκολα από άλλα είδη qubit λόγω των μεθόδων κατασκευής των σημερινών chips. Και, ως εκ τούτου, οι κβαντικοί υπολογιστές που τα χρησιμοποιούν μπορούν να αναβαθμιστούν στο επίπεδο των εκατομμυρίων qubit πολύ πιο γρήγορα από τις ανταγωνιστικές μεθόδους, δήλωσαν οι ερευνητές.

«Τώρα που μπορούμε να παράγουμε εξαιρετικά καθαρό πυρίτιο-28, το επόμενο βήμα μας θα είναι να αποδείξουμε ότι μπορούμε να διατηρήσουμε την κβαντική συνοχή για πολλά qubits ταυτόχρονα», ανέφερε στην ανακοίνωση ο συν-επιβλέπων του έργου David Jamieson, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης. «Ένας αξιόπιστος κβαντικός υπολογιστής με μόλις 30 qubits θα ξεπερνούσε την ισχύ των σημερινών υπερυπολογιστών σε ορισμένες εφαρμογές».

*Η κεντρική εικόνα προέρχεται από τον Michael Dziedzic on Unsplash

[Nature]