Néma és megütött dob egyszerre az új mechanikus qubit

A zürichi ETH műszaki egyetem munkatársai, Ju Jang és Jiven Csu megépítették az első mechanikus qubitet. Az eredmény, amelyről a Science folyóiratban számoltak be, komoly lépés a kvantum-szuperszámítógépek felé, amelyek a legbonyolultabb műveleteket mai szuperszámítógépek energiafogyasztásának töredékéért tudják majd elvégezni. 

A kvantumszámítógépek olyan számítógépek, amelyekben a bitek helyét kvantumállapotok, vagyis qubitek veszik át. A kvantumbiteknek nagy előnyei és ma még nagy hátrányai vannak. A kvantumszámítógép általuk olyan számításokat képes elvégezni, amilyeneket egy klasszikus számítógép évek vagy évezredek alatt: a személyes adatokat és banki tranzakciókat védő jelenleg elterjedt titkosításokat például pillanatok alatt fel tudják törni. 

A klasszikus gépeket praktikusan meghaladó képességeket kvantumfölénynek nevezik, és kísérleti körülmények között már megvalósult. Ami a titkosítások feltörését illeti, egyelőre ott még nem tartunk, bár minden jel arra utal, hogy a következő években átesünk ennek világfelforgató hatásán. Ezzel eljutunk a qubitek hátrányaihoz: a kvantumállapotok nagyon érzékenyek és sérülékenyek, a kozmikus sugárzás, vagy magából a számítógép anyagából származó zavaró tényezők, egyszerűbben szinte bármi miatt mikroszekundumok alatt felülíródik a kvantumállapotuk. Ennek az állapotnak a megvédése, a koherencia fenntartása kulcsfontosságú és macerás technikai kihívás, például kriogén hűtést igényel, ami miatt belátható időn belül nem készülhet olyan kvantumszámítógép, amit a felhasználó zsebre vághat, mint egy mobilt. A qubitek megbízhatatlansága az a probléma, amit az új mechanikus qubittel próbálnak kikerülni.

A qubitek tárolására és kezelésére használt fizikai megoldások eddig különböző polarizációjú fotonokat, szupravezető rendszereket, ionokat, elektronok és atommagok spinjét használták több-kevesebb sikerrel – ezek működése a legtöbb esetben elektromágneses energiaszinteken alapul. Az elektromágneses qubitek viselkedése anharmonikus, vagyis az állapotaik közötti energiaszintek eltérései nem egyformák. A mechanikus rezonátorok vibrációi között ugyanakkor egyformák az energiakülönbségek, e harmonikus viselkedés miatt nem lehetett eddig fizikai qubit építésére használni őket. A probléma megoldására a hibridizálás merült fel ötletként, olyan elektromágneses alkatrész beépítésével, ami anharmonikus tulajdonságot biztosít a konstrukciónak. A Francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központnál (CNRS) dolgoztak ezen, mert elméletben 

a legtovább működő mechanikus oszcillátor és a legjobb qubit társításával, a koherenciáját a legjobb qubitnél is tovább megtartó mechanikus qubit hozható létre.

A CNRS-nél Fabio Pistolesi által épített mechanikus qubit viselkedése azonban az elektromágneses qubit koherenciájához tendált, a kvantumpötty és mechanikus rezonátorként hozzá csatlakozó szén nanocső így a kvantumállapot illékonysága miatt végeredményben képtelen volt mechanikus qubitként működni.

Működik és még mást is tud

A svájci mérnökök egy másik megközelítést alkalmaztak. Piezoelektromos rezonátorokat helyeztek zafír alapra és ezt szintén zafírra épített szupravezető qubithez társították, így sikerült bizonyos finomításokkal elérni a magas koherenciát. A bit stabilitása itt is az anharmonikus szupravezető elemtől függ, de ez nem korlátozza a mechanikus rezonátort.

A szakemberek szerint a szerkezet úgy működik, mint egy dobra feszített dobbőr, ami mozdulatlan vagy vibráló állapotot vehet fel, vagy a kettő keverékét. Ez utóbbi a szuperpozíció, az igazi kvantumtrükk, ami a kvantumszámítógép erejét adja.

A szupravezető qubiteknél az állapot megmaradását tekintve egy ezredmásodperc a csúcs, a tipikus érték ennek a tizede, 100 mikroszekundum. Az első működő mechanikus qubittel a kutatók 200 mikroszekundumos koherenciát értek el. Jang és munkatársai szerint ez az érték a fejlesztéssel és más anyagok alkalmazásával a továbbiakban jelentősen növelhető. Pistolesi kiemelte, hogy a mechanikus qubit egyelőre nem éri el a jelenlegi legfejlettebb fizikai qubitek zajmentességét, de a prototípus eredménye így is nagyon tiszteletreméltó, és nem utolsósorban a qubitektől elvárható módon szabadon manipulálható.

Jangek kiemelték továbbá, hogy a mechanikus qubit nemcsak logikai kapuként működhet, de kvantumszenzor is, amellyel elektromágneses erőket vagy gravitációs mezőt érzékelhetnek.

A rendszerünk képes gigahertzes frekvencián mérni például a gravitációs hullámok nyomán fellépő mechanikai erőket. Nincs igazán olyan eszköz, ami ehhez hasonlítható, jelenleg is folyó kísérletekben aktívan vizsgáljuk ezt

– mondta.

(Phys.org, IEEE Spectrum)