Calculul cuantic, denumit adesea revoluția tehnologică a viitorului, promite să rezolve probleme complexe cu mult peste capacitățile computerelor clasice. În centrul acestei tehnologii se află qubiții, unități fundamentale de informații cuantice capabile să valorifice proprietățile ciudate ale fizicii cuantice. În ciuda progreselor spectaculoase din ultimii ani, un obstacol persistă: stabilitatea qubiților. De curând, o echipă de fizicieni de la ETH Zurich au oferit un răspuns inovator prin crearea primului qubit complet mecanic, o inovație care ar putea transforma modul în care funcționează aceste sisteme.
Spre deosebire de biții clasici, care pot reprezenta doar 0 sau 1, qubiții folosesc principiul suprapunerii pentru a exista în aceste două stări simultan. Această caracteristică unică le permite să proceseze cantități enorme de informații în paralel, deschizând calea pentru calcule extrem de rapide și puternice. Această complexitate are un cost: qubiții tradiționali sunt într-adevăr extrem de instabili. În detaliu, mulți qubiți se bazează pe circuite supraconductoare care exploatează oscilațiile electromagnetice. În aceste sisteme, microundele sau câmpurile magnetice sunt folosite pentru a controla starea qubiților și a efectua operațiuni. Acești qubiți electromagnetici, precum cei utilizați în procesoarele Google sau IBM, sunt în fruntea cercetărilor actuale.
Unii folosesc și sisteme hibride. Acestea combină abordări diferite pentru a profita de avantajele mai multor tehnologii. De exemplu, qubiții pot fi creați folosind ioni prinși în câmpuri electromagnetice și controlați de lasere sau prin cuplarea stărilor electromagnetice cu vibrații mecanice (moduri acustice) pentru a le îmbunătăți controlul sau stabilitatea. Aceste sisteme, deși promițătoare, rămân foarte sensibile la perturbațiile externe, fie că sunt variații de temperatură, interferențe electromagnetice sau chiar vibrații mecanice ambientale. Aceste influențe externe provoacă o pierdere rapidă a stării lor cuantice, o proprietate cunoscută sub numele de decoerență. Drept urmare, durata în care acești qubiți pot reține informații utilizabile, numită timp de coerență, este extrem de scurtă, adesea măsurată în microsecunde, limitându-le eficacitatea în calcule complexe și necesitând sisteme costisitoare de corectare a erorilor. Tocmai această fragilitate i-a împins pe cercetători să exploreze abordări alternative. Ce se întâmplă dacă qubiții ar putea fi mai fiabili printr-un design complet mecanic?
O echipă de la ETH Zurich a preluat această provocare dezvoltând un dispozitiv complet nou. În loc să se bazeze pe electromagnetism, qubitul lor se bazează pe o structură mecanică. El a fost prezentat într-un articol publicat în Science. În centrul invenției lor se află o membrană vibrantă, similară cu o piele subțire de tobă întinsă pe o suprafață rigidă. Această membrană poate fi în trei stări: imobilă (fără vibrație), în vibrație (oscilând regulat) sau într-o suprapunere cuantică a acestor două stări. Cu alte cuvinte, nu poate să vibreze și să vibreze simultan, o proprietate cheie a qubiților care permite calcule cuantice unice. Pentru a face această inovație funcțională, cercetătorii au folosit un disc piezoelectric: un material capabil să transforme vibrațiile mecanice în semnale electrice și invers. Acest disc, care acționează ca un rezonator mecanic, este montat pe o baza de safir, un material ultra-rigid si stabil termic. Această bază joacă un rol crucial în reducerea la minimum a perturbărilor externe, cum ar fi variațiile de temperatură sau vibrațiile parazite care ar putea altera performanța sistemului.
În plus, qubitul însuși, realizat dintr-un material supraconductor (capabil să conducă electricitatea fără rezistență), este de asemenea montat pe o bază separată de safir. Această structură duală (un rezonator mecanic și un qubit supraconductor) este legată prin tehnici de fabricație ultra-precise, dezvoltate special pentru acest proiect. Această configurație ingenioasă permite stabil și controlat între partea mecanică (rezonatorul) și partea cuantică (qubitul).
Pe scurt, imaginați-vă o membrană vibrantă foarte subțire în inima unui dispozitiv stabilizat de materiale ultrarezistente în care fiecare componentă este proiectată să interacționeze cu o precizie excepțională. Acest design unic depășește limitările qubiților actuali, oferind în același timp timpi de coerență mult mai lungi (durata de viață a stărilor cuantice) și o stabilitate sporită.
Primele teste efectuate pe acest qubit mecanic au dezvăluit performanțe impresionante. Timpul de coerență, crucial pentru fiabilitatea calculelor cuantice, s-a dovedit a fi semnificativ mai mare decât cel al sistemelor tradiționale. Cu alte cuvinte, acest qubit mecanic poate stoca informații cuantice mai mult timp fără a le pierde, oferind o platformă mai stabilă pentru calcule complexe. Această stabilitate sporită ar putea rezolva unul dintre principalele obstacole în calea realizării computerelor cuantice complet operaționale. Într-adevăr, cu qubiți mai fiabili, sistemele necesită mai puține resurse pentru a corecta erorile, făcând calculatoarele cuantice mai eficiente și mai accesibile.
Această inovație deschide perspective fascinante pentru calculul cuantic. Printre aplicațiile avute în vedere se numără modelarea moleculară pentru dezvoltarea de noi medicamente, optimizarea rețelelor logistice sau chiar criptografia avansată care ar putea garanta comunicații complet sigure. În plus, qubiții mecanici ar putea oferi o alternativă viabilă pentru sistemele care necesită o rezistență ridicată în medii dure, cum ar fi sateliții sau instalațiile industriale.
Conștienți de potențialul descoperirii lor, cercetătorii ETH Zurich nu intenționează să se oprească aici. Ei plănuiesc să experimenteze cu alte materiale pentru a îmbunătăți și mai mult timpii de consistență. În același timp, cercetătorii doresc să meargă mai departe prin integrarea acestor qubiți mecanici într-un sistem complet de calcul cuantic. Un sistem complet înseamnă un dispozitiv în care qubiții nu funcționează izolat, ci interacționează între ei pentru a efectua calcule. Pentru a face acest lucru, ei vor folosi porți cuantice care sunt echivalentul circuitelor logice din computerele clasice din computerele cuantice. Aceste porți permit manipularea qubiților prin modificarea stărilor lor (de exemplu prin aplicarea unor operații precum inversarea sau suprapunerea).
Punând la încercare acești qubiți mecanici cu porți cuantice, oamenii de știință vor putea evalua eficacitatea și fiabilitatea lor în scenarii practice, adică în situații apropiate de cele care ar fi întâlnite într-un computer cuantic în funcțiune. Acest lucru le va permite să determine dacă acești qubiți mecanici sunt cu adevărat o alternativă viabilă la qubiții electromagnetici sau hibrizi utilizați în prezent.
