Fatális felmelegedés

A kvantum-kapuk gyakorlati megvalósításának új megközelítése, szobahőmérséklet-kompatibilis, és csak azokra az összetevőkre támaszkodik, amelyek külön-külön is beváltak. Az amerikai hadsereg tudósai azt jósolják, hogy hamarosan rendelkezésre állnak majd az olyan kvantumszámítógép-áramkörök, amelyek működéséhez már nem szükséges a rendkívüli hideg, hanem elegendő lesz a szobahőmérséklet. A tudósok mindennek megvalósíthatóságát egy fotonikus áramkörökből és optikai kristályokból álló kvantum logikai kapu segítségével bizonyították.

A kvantumrendszerek egyik jelentős hátránya a qubitek furcsa állapotainak törékenysége. A kvantumtechnológia alapvető hardvereit nagyon hideg hőmérsékleten, nulla kelvin (-273,15 Celisus fok) közelében kell tartani, hogy megakadályozzák a rendkívüli állapotok tönkretételét a számítógép egyéb alkatrészeinek, környezetének hője által. 

Dr. Kurt Jacobs, a U.S. Army Combat Capabilities Development Command hadseregkutató laboratóriumából, elmondta:  „Bármely interakció, amely egy qubit és a környezetében lévő bármi más között történik, torzítani kezdi annak kvantumállapotát. Például, ha a környezet egy részecskékből álló gáz, akkor nagyon hideg hőmérsékleten a gázmolekulák lassan mozognak, tehát nem kerülnek bele túlzott mértékben a kvantum-áramkörökbe.” 

A tudósok különféle erőfeszítéseket tesznek a kérdés megoldására, ám a működőképes megoldás még várat magára. A jelenlegi fejlettségi szinten, a nemlineáris optikai kristályokat tartalmazó fotonikus áramkörök jelenthetik az egyetlen lehetséges útvonalat, a szilárdtest rendszerekkel, szobahőmérsékleten megvalósított kvantumszámítástechnikához.

Nemlineáris optikai kristályok

Az adatok tárolásához ionokat vagy atomokat használó kvantumrendszerektől eltérően, a fotonokat használó kvantumrendszerek megkerülhetik a hideg hőmérsékleti korlátokat. A fotonoknak ugyanakkor még mindig más fotonokkal kell kölcsönhatásba lépniük a logikai műveletek végrehajtásához.

Ezen a ponton válnak integráló tényezővé a nemlineáris optikai kristályok. A tudósok olyan üregeket alakíthatnak ki a kristályokban, amelyek ideiglenesen csapdába ejthetik a fotonokat. Ezzel a kvantumrendszer képessé tehető az egy qubit által felvehető két különböző lehetséges állapotot létrehozására: egy üreg, benne fotonnal (be) és egy üreg foton nélkül (ki). Ezek a qubitek kvantum logikai kapukat képezhetnek, amelyek megteremthetik a keretrendszert a furcsa állapotokhoz.

Mindeközben a tudósok a foton és a kristályban található üreg aktuális viszonyának meghatározhatatlan állapotát felhasználhatják egy qubit reprezentálására. A logikai kapuk egyszerre két qubittel működnek, és képesek kvantum összefonódást létrehozni közöttük. Ez az összefonódás automatikusan létrejön egy kvantumszámítógépben, és szükség is van rá, az érzékelő alkalmazások kvantum-megközelítéséhez.

Mindazonáltal a kvantum logikai kapuk nemlineáris optikai kristályokkal történő előállításának gondolata továbbra is nagyrészt hipotetikus, bár a jelen cikkben taglalt tanulmány elkészülte óta egy lehetséges megközelítéssel már sikeres gyakorlatban lefolytatott kísérlet is történt, kifejezetten erős részeredményekkel, gyémánt-kristályok felhasználásával, melyről épp tegnapelőtt számoltunk be.

Kvantumbizonytalanság: két-ségek

Miközben még mindig vannak kétségek arra nézvést, hogy ez az elgondolás gyakorlati logikai kapukhoz is vezethet-e, a hadsereg tudósai az MIT-val együttműködve, ezzel a megközelítéssel új módszert mutattak be a kvantumlogikai kapu megvalósítására a meglévő fotonikus áramköri komponensek felhasználásával. 

Jacobs beszámolójában: „A probléma az volt, hogy ha van egy fotonunk, ami egy csatornán halad, akkor a fotonnak meghatározott alakú„ hullám-csomagja ”van. Egy működő kvantum-kapuhoz, a foton hullámcsomagoknak a kapu működése után is változatlannak kell lenniük. Mivel a nemlinearitások torzítják a hullámcsomagok alakját, a kérdés az volt, hogy be tudjuk-e tölteni a hullámcsomagokat az üregekbe, hogy ott kölcsönhatásba lépjenek egymással a nemlinearitáson keresztül, majd újra kibocsáthatóak-e a fotonok úgy, hogy ugyanazzal a hullámcsomag-alakkal rendelkezzenek, mint amellyel beléptek a kapun.”

Elvben már megy

A tudósok megjegyezték:  „Miután megtervezték a kvantumlogikai kaput, a kutatók számos számítógépes szimulációt futtattak le a kapu működésére annak bizonyítása érdekében, hogy az elméletileg megfelelő módon működhet. A kvantumlogikai kapu valós létrehozása ezzel a módszerrel viszont először bizonyos fotonikus komponensek minőségének jelentős javulását igényli.” 

Dr. Mikkel Heuck, a Dán technológiai egyetemi (DTU) Fotonika-mérnöki részlegének kutatója elmondta:  „Az elmúlt évtizedben elért haladás alapján arra számítunk, hogy kb. tíz évbe telik majd a szükséges fejlesztések megvalósítása. A hullámcsomagok torzítás nélküli betöltése és kibocsátása azonban olyasmi, amit a jelenlegi kísérleti technológiánkkal is meg kell tudnunk valósítani. Tehát ez egy olyan kísérlet, amelyen tovább dolgozunk.”

(Forrás: APS Physics Képek: Unsplash)