Ordenagailu kuantikoaren kontzeptu berri bat garatzen dute “espin elektronikoko qubitekin”

Published: Urria 16, 2023
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade5050

  • Ikerketa-lan honek gainazalean atomo indibidualen egoera kuantiko ugari aldi berean kontrolatzeko gaitasuna erakusten du. Ordenagailu kuantiko berri bat sortzea espero da, daudenak ez bezalako diseinuarekin.

  • Deung-Jang Choik gidatutako ikerketaren, Materialen Fisika Zentroaren (CSIC-UPV/EHU) eta Donostia International Physics Centerren (DIPC) emaitzak, nazioarteko talde batekin lankidetzan, Science aldizkari ospetsuan argitaratu berri dira.

Materialen Fisika Zentroa (CSIC-UPV/EHU) eta Donostia International Physics Centerreko (DIPC) Deung-Jang Choi eta Cristina Mier ikerlariak [1. irudia] buru dituen nazioarteko ikerketa-talde batek, Korea, Japonia eta Ameriketako Estatu Batuetako ikerketa-taldeekin lankidetzan, arrakastaz aurkeztu du plataforma kuantiko berri bat, atomo indibidualen espinak azalera solido baten gainean erabiltzen dituena, qubit (bit kuantiko) sistema anizkoitza lortuz, hiru elektroi-spin aldi berean erabiltzen dituena. Ikerketaren emaitzak Science aldizkari ospetsuan argitaratu berri dira.

1 Irudia. Ezkerretik eskuinera: Cristina Mier eta Deung-Jang Choi CFMn STM mikroskopio bat manipulatzen.

Informazioa biltegiratzeko eta ordenagailuetan kalkulatzeko unitate nagusia bita da, 0 edo 1eko balioa izan dezakeena. Ordenagailu kuantikoek, aldiz, qubitekin funtzionatzen dute funtsezko unitate gisa, 0 eta 1 egoeren gainjartze batean kalkuluak egin ditzaketenak, eta horrek esan nahi du aldi berean egon daitezkeela bi egoera horietan, Schrodingerren katuaren paradoxan bezala. Gaitasun horrek errendimendua nabarmen hobetzea dakar, informazioa biltegiratzeari eta prozesatzeko abiadurari dagokienez, ordenagailu klasikoekin alderatuta.

Ordenagailu kuantikoak merkaturatzeko, hainbat qubit-mota proposatu dira, lotura supereroaleak, ioi-tranpak, puntu kuantikoak eta fase-egoera kuantikoak erabiliz. Informazio kuantikoaren zientziaren historia labur samarra dela eta, qubit-sistema optimo bat diseinatzeko erronka egiteke dago oraindik. Hainbat hamarkadatan, zientziaren ahaleginak eskala atomikoan arkitektura kuantiko-koherente bat eraikitzera bideratu dira, non atomoen funtsezko propietateak, elektroien espina kasu, bidea irekitzen den. Horrelako lorpenak zientzia kuantikoa eta nanoteknologia irauli litzake.

Izan ere, oraindik ere funtsezko ikerketa zientifikoa behar da plataforma kuantiko berri bat abian jartzeko, dauden qubiten akatsak konpontzeko eta, aldi berean, haien integrazioa eta fidagarritasuna handitzeko.

Tunel efektuko ekortze-mikroskopia (STM) oso baliagarria izan da atomo indibidualen egoera elektronikoak neurtzeko eta kontrolatzeko, mekanika kuantikoaren fenomenoak aprobetxatuz. STM teknologia eta ESR (espin elektronikoaren erresonantzia) konbinatzen dituen lan honetan, azaleko titaniozko atomo indibidualen gainean mikrouhin-pultsuen proiekzioak espin egoerak arrakastaz kontrolatzea eta neurtzea ahalbidetzen du. Ondorioz, atomo bakarreko espina zehatz kontrolatu eta nahi zen egoera kuantikora egokitu ahal izan zen. Gainerako erronka qubit anitzeko sistema bat ezartzea zen, hainbat qubits aldi berean kontrolatzeko gai izango zena. Lan honetan aurkeztutako qubit-plataforma titaniozko atomo ugari dira, isolatzaile fin baten (magnesio oxidoa) gainazalean jarriak, eta arrakastaz gainditu du erronka.

 

2 Irudia. Titaniozko atomo indibidualak dituen espin elektronikoko qubit-aren hiru dimentsioko eredua.

Ikertzaileek tuneleko ekortze-mikroskopio (STM) baten zunda erabili zuten, atomo bakoitzaren posizioak zehaztasunez manipulatuz, titaniozko atomo anitzeko egitura bat sortuz, non euren espinek elkarri eragin diezaioketen [ikus 2. irudia]. Ondoren, urruneko kontrol metodo bat aplikatu zioten sentsore gisa balio duen titanio atomoari (qubit sentsorea), eta zunda bakar batekin urrutitik jarritako qubits (urruneko qubits) anitzak kontrolatu eta arrakastaz neurtu zituzten.

Urruneko qubit bakoitzak qubit sentsorearekin elkarreragiten duenez, urruneko qubit-en espin egoeraren aldaketek qubit sentsoreari eragiten diote, eta aldaketa hori zundaren bidez irakurtzen da. Lan honetan informazioaren prozesamendu kuantikoaren oinarrizko eragiketak ere inplementatu zituzten, “CNOT” (Controlled NOT gate) eta “Toffoli” ateak, qubit-plataforma hori erabiliz. Ikerketa 0,4k (-272,6 ° C) tenperaturan egin zen.

“Maila atomikoan qubit anitz urrutitik manipulatzea benetan apartekoa da”, adierazi zuen ikertzaileetako batek. “Orain arte, azalean qubit bakarra kontrola genezakeen, baina ikerketa horri esker, jauzi esanguratsua egin dugu maila atomikoan qubit-sistema anizkoitzak ezartzeko”.

Azterlan honetan aurkeztutako plataformak duen abantaila aipagarriena maila atomikoan qubiten arteko informazio-trukea zehatz kontrolatzea da. Dauden qubit-plataformetatik ere bereizten da, 1 nm baino gutxiagoko banakako qubitekin integratutako zirkuitu kuantikoak inplementatu ditzakeelako. Gainera, material espezifikoak behar dituzten beste plataforma batzuek ez bezala (lotura supereroaleen qubitak), qubit-material gisa atomo desberdinak hautatzeko aukera ematen du, titanioaz gain.

Emaitza horien etorkizuneko inplementazioari eta aplikazioari dagokionez, informazio kuantikoaren prozesamendu praktikorako ezarritako qubit-sistema aplikatzeko, eragiketa-denbora nahikoa luzea bermatu beharko da hainbat eragiketa kuantiko etengabe egiteko, qubit-kopurua handitzen den bitartean. Ikerketa honetan sartutako metodoa erabiliz, 5-6 qubitera arte konektatu eta jardun ahal izatea espero da, baina ikertzen jarraitu behar da aldi berean 10 qubitetik gora kontrolatu ahal izango dituen plataforma bat garatzeko, qubiten arteko konexioak eta neurketa-metodoak hobetuz.

Ikerketaren emaitzak “Science” aldizkari zientifiko ospetsuan argitaratu ziren 2023ko urriaren 6an.