Un nou proces de fabricație care ar putea fi utilizat pentru a construi un computer cuantic atinge o rată de eșec aproape nulă și are potențialul de a fi extins, conform unei noi cercetări realizate de ingineri și fizicieni de la UCL.
Studiul, publicat în Advanced Materials, descrie prima încercare reușită de a poziționa în mod fiabil atomi individuali într-o matrice de când ideea a fost propusă pentru prima dată în urmă cu 25 de ani. Precizia de aproape 100% și scalabilitatea abordării ridică posibilitatea de a construi un computer cuantic capabil să abordeze cele mai complexe probleme ale lumii, deși pentru a realiza această ambiție trebuie încă depășite provocări inginerești substanțiale.
Teoretic, calculul cuantic are potențialul de a rezolva probleme complexe pe care calculatoarele binare „clasice”, bazate pe tranzistori, nu le vor putea aborda niciodată. Unul dintre modurile în care pot fi create porțile unui calculator cuantic universal, cunoscute sub numele de qubiți (biți cuantici), este din atomi individuali plasați în siliciu, răciți la temperaturi extrem de scăzute pentru a le menține proprietățile cuantice stabile. Acestea pot fi apoi manipulate cu ajutorul semnalelor electrice și magnetice pentru a procesa informații, în același mod în care un tranzistor binar dintr-un computer clasic este manipulat pentru a emite un zero sau un unu. Acest lucru permite computerului să valorifice puterea mecanicii cuantice, legile profunde ale fizicii care determină modul în care funcționează universul. Aceasta include fenomene precum superpoziția, sau capacitatea qubiților de a fi în mai multe aranjamente diferite în același timp, și întrepătrunderea cuantică, care este capacitatea qubiților de a fi inextricabil legați.
Aceste caracteristici înseamnă că problemele complexe pot fi reprezentate în moduri noi. Pentru o problemă cu un număr excepțional de mare de rezultate posibile, un computer cuantic este capabil să ia în considerare toate posibilitățile simultan, și nu pe rând, așa cum ar face un computer normal – procesare care ar lua milioane de ani celor mai bune supercomputere din prezent. Sunt în curs de desfășurare diverse abordări pentru construirea unui computer cuantic, însă niciuna nu a reușit încă să atingă scara și ratele de eroare scăzute necesare.
O abordare pentru construirea unui calculator cuantic constă în poziționarea precisă a atomilor individuali de „impuritate” într-un cristal de siliciu, ceea ce permite manipularea proprietăților lor cuantice pentru a forma qubiți. Unul dintre avantajele acestei abordări este că are rate de eroare inerent scăzute ale qubit-urilor și este susținută de tehnologii scalabile de microelectronică pe siliciu. Abordarea standard utilizează fosforul ca atom de impuritate, dar deoarece atomii de fosfor pot fi poziționați doar cu o rată de succes de 70%, acest sistem rămâne departe de rata de eroare aproape nulă necesară pentru construirea unui computer cuantic.
În noul studiu, cercetătorii de la UCL au plecat de la ipoteza că arsenicul ar putea fi un material mai bun decât fosforul pentru a atinge rata scăzută de eșec necesară pentru construirea unui computer cuantic. Aceștia au folosit un microscop capabil să identifice și să manipuleze atomi individuali, similar acului de pe un de pe un disc de vinil, pentru a introduce cu precizie atomi de arsenic într-un cristal de siliciu. Apoi au repetat acest proces pentru a construi o matrice 2×2 de atomi de arsenic, gata să devină qubiți.
Dr. Taylor Stock, coautor al studiului de la UCL Electronic & Electrical Engineering, a declarat: „Cele mai avansate sisteme de calcul cuantic aflate în curs de dezvoltare încă se luptă cu două probleme: cum să atenueze ratele de eroare ale qubit-urilor și cum să crească numărul de qubiți. Fabricarea fiabilă, cu precizie atomică, ar putea fi utilizată pentru a construi un computer cuantic scalabil în siliciu. Opinia predominantă a fost că fabricarea cu un singur atom folosind arsenic ar suferi aceleași probleme ca fosforul. Dar, pe baza calculelor noastre, ne-am dat seama că atomii unici de arsenic ar putea fi plasați mai fiabil decât fosforul și am reușit să facem acest lucru cu succes. Am fost conservatori estimând că putem plasa atomi cu o precizie de 97%, dar suntem încrezători că aceasta poate fi mărită la 100% în viitorul apropiat”.
În prezent, metoda dezvoltată în cadrul studiului necesită ca fiecare atom să fie poziționat manual, unul câte unul, ceea ce durează câteva minute. Teoretic, acest proces poate fi repetat la nesfârșit, însă din punct de vedere practic va fi necesară automatizarea și industrializarea procesului pentru a construi un computer cuantic universal – ceea ce înseamnă crearea unor rețele de milioane, zeci de milioane sau chiar miliarde de qubiți.
Autorii afirmă că industria semiconductorilor din siliciu, care valorează în prezent aproximativ 550 de miliarde de dolari, ar trebui să poată contribui la progresul acestui domeniu, deoarece atât arsenicul, cât și siliciul sunt frecvent utilizate în construcția semiconductorilor pentru calculul clasic. Se preconizează că abordarea dezvoltată în acest studiu va fi foarte compatibilă cu procesarea actuală a semiconductorilor și se speră că va putea fi integrată odată ce vor fi abordate provocările tehnice.
Profesorul Neil Curson, coautorul studiului, a declarat: „Capacitatea de a plasa atomi în siliciu cu o precizie aproape perfectă și într-un mod pe care îl putem extinde este o piatră de hotar uriașă pentru domeniul calculului cuantic, pentru prima dată când am demonstrat o modalitate de a obține precizia și amploarea necesare.
„Acum avem în față o provocare inginerească uriașă pentru a putea face acest lucru mai rapid și mai ușor – dar aceasta este prima dată când am fost sigur că se poate construi un computer cuantic universal.”
