A kvantumkapuk a kvantumszámítási rendszerek alapvető részét képezik, hiszen csakúgy, mint a klasszikus digitális áramkörökben a logikai kapuk, a kvantumrendszerben a kvantumkapuk szükségesek a számítások elvégzéséhez. Segítségükkel a kvantumszámítógépek információs alapegységeit, a qubitokat lehet vezérelni és a klasszikusnál sokkal bonyolultabb műveleteket is megvalósítani a qubitok szuperpozíciós állapotát felhasználva: ilyenkor a kapuk nem csak a bitek 0-jának vagy 1-ének megfelelő értékeket tudnak feldolgozni, hanem többféle lehetőséget egyszerre.

“A hagyományos számítógépek olyanok, mint a mikroszkopikus városok. Az utakat ezekben a városokban vezetékek képviselik, amelyeken elektromosság halad át. Ezeken az utakon sok kapu található, amiket logikai kapuként ismerünk, ezek teszik lehetővé a számítógép számára, hogy a munkáját végezze”

- szól a NIST (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet) leírása. A kvantumkapuk első verzióit ionok manipulálásával alkották meg, hogy annak energiaállapota vagy mozgása fejezze ki a 0 és 1 értékeket.

A kvantumkapuk újabb verzióját jelentheti a teljes mértékben mágneses kvantumkapu, ami a mágneses dipólus momentum által működik. Az ilyen típusú kvantumkapu megalkotását tűzte ki célul a Massachusettsi Műszaki Intézet professzora, Wolfgang Ketterle, aki az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma által biztosított ösztöndíjból kezdte meg azt a kísérletsorozatot, aminek első eredményei máris beérkeztek és betekintést nyújtottak a kapu alapjául szolgáló fizikai jelenségek titkaiba. A kutatás során a fizikusok atomokat hoztak egymáshoz rendkívüli közelségbe, ami révén az atomcsoportok más esetben nem tapasztalt módon léptek egymással interakcióba. Az atomokat a magas fokú mágnesességgel rendelkező ritkaföldfém, a diszprózium képviselte, ami a ideális jelölt a mágnesességgel kapcsolatos mérések elvégzésére, azonban a mágneses hatás atomi szinten nem túl erős az egymástól messze lévő atomok között. A kísérletekben általában 500 nanométeres a távolság az egyes atomok/atomcsoportok között, mivel ennél közelebb nehéz hozni a részecskéket az elrendezésükhöz használt lézerfény hullámhossza miatt.

“A hullámhossz tipikusan 500 nm-re határolja be a legkisebb mintázatot, amibe a fényt rendezni lehet, ez az úgynevezett optikai felbontási határ.”

- magyarázza az MIT.
Mivel az atomok elhelyezkedését lézerfénnyel kontrollálják, a felbontási határ szabja meg a közelségüket is.

A kutatók egy új módszerrel lépték át ezt a korlátot: az atomokat ultrahideg hőmérsékletre hűtötték, abszolut nulla, vagyis mínusz 273,15 Celsius-fok közelébe, majd a mozgásukat majdnem teljesen szüneteltető, fagyasztott részecskéket két, eltérő frekvenciájú lézernyalábbal két, eltérő perdületű csoportra osztották. A lézerek frekvenciájának szabályozásával elérték, hogy az atomok mindössze 50 nanométerre kerüljenek egymástól. Ilyen közelségben a mágneses hatás jelentősen felerősödött, körülbelül ezerszer erősebbre, mint 500 nm-en, és ennek hatására újfajta interakció alakult ki az atomcsoportok között. Megfigyelték többek között a kollektív oszcillációt és a termalizációt is, utóbbi azt a folyamatot takarja, mikor az objektumok a hőtani egyensúlyt az interakció révén valósítják meg - ez alkalommal az atomok a hőt mágneses fluktuáció útján adták át egymásnak. A helyzet különlegessége, hogy ilyen módon a hőt vákuumon keresztül tudták továbbítani, pedig általában ehhez fizikai közelségre és közvetlen kapcsolatra van szükség az elemek között.

A mostani eredmények még csak az első lépéseket jelentik a kutatásokban, a munka tovább folyik a mágnesesség különleges oldalainak feltérképezésére. A kutatók által tervezett mágneses kvantumkapuk készítése hosszú folyamat lehet, de a kvantumszámítógépek készítésének terén a kapukon túl is állandóak az újítások és felfedezések, amelyekkel a rendszerek megbízhatóbb, stabilabb vagy gyorsabb működését igyekeznek elérni a szakértők, ezért a kvantumos számítási rendszerek tekintetében sok változásra még lehet számítani a közeljövőben.

(Fotó: MIT News)