Új qubit született, hogy megmentse a szupravezető kvantumszámítógépeket

2022 / 09 / 28 / Bobák Zsófia
Új qubit született, hogy megmentse a szupravezető kvantumszámítógépeket
A szupravezető technológia leggyakrabban alkalmazott qubitja, a transzmon kvantumbit a kvantumszámítástechnika igáslova, de egy új jelentkező a helyére pályázik.

Az épülő kvantumszámítógépek alapvető architektúrájaként alkalmazott technológiák közül a szupravezetőkből felépülő áramkörökkel működő verzió az egyik leggyakrabban használt struktúra, aminek fejlesztésében számos nagy cég, köztük az IBM, az Intel és a Google is érdekelt. A technológia legnagyobb előnye a zajjal szembeni ellenállóképessége, ami hasznos tulajdonságot jelent a kvantumszámítógépek építésének hajnalán, mikor még a jelenlegi legfejlettebb, illetve az elkövetkező években érkező gépek is az úgynevezett NISQ, vagyis zajos, köztes-méretű számítógépek kategóriájába tartoznak. Ezek a gépek viszonylag kevés számú, ötven-néhány száz körüli qubittal rendelkeznek és közel sem tökéletesen funkcionálnak a zajos, tehát a kvantumbitek kiolvasását nehezítő környezet miatt.

Az NISQ kifejezés John Preskill elméleti fizikus nevéhez kötődik, aki a definíciót azoknak a gépeknek a korszakára alkalmazta, amelyeket nem védenek kvantum-hibajavítási technikák és így a qubitokkal való számítások minősége alacsonyabb az elvártnál.

"Nem várhatjuk az NISQ-tól, hogy önmagában megváltoztassa a világot,

ehelyett egy lépésnek kell tekinteni a jövőben megépítendő, sokkal erőteljesebb kvantumtechnológiák felé." - írta a fizikus 2018-as tanulmányában.

Michel Devoret, a Google kutatója 2022-es Quantum Summer Symposium előadásában a kvantumeszközök aktuális hűségét, vagyis a qubitokkal való számítások során kapott eredmények megbízhatóságát a hagyományos biteket alkalmazó processzorokkal összehasonlítva elmondta: a szupravezető eszközök legjobbjai is 0,1%-os "hűtlenségre" törekednek a számítási folyamatok mindegyike során, ami elég alacsony hibahatárnak tűnhet ugyan, de valójában messze elmaradt a PC-kben vagy éppen az okostelefonokban dolgozó processzorokétól. Ezek, Andreas Wallraff, az ETH Zürich professzora szerint, körülbelül 10 a mínusz 18-on hűtlenséggel dolgoznak, ami tizenöt nagyságrenddel jobb, mint a legfejlettebb szupravezető kvantumeszköz teljesítménye.

Devoret szerint ahhoz, hogy ezt a határt átléphessék és áttörést érhessenek el a mérnökök a kvantumtechnológiában, nem elég a kvantum-hibajavítási protokollok tökéletesítése,

ehelyett egészen új anyagokra és módszerekre van szükség a berendezések készítése folyamán, például arra, hogy a levegőtől elzárva, vákuumban használják a gépeket.

A szupravezető kvantumáramkörök fejlesztésének egyik hátráltató tényezője a méretbeli behatároltság: minél kisebb egy egység, minél vékonyabbak a rétegek a chipben, minél sűrűbb egy áramkör felépítése, annál jelentősebb problémát okozhat a rendszerben fellépő áteresztés és az egymással szomszédos qubitok zavaró hatása. A szupravezető áramkörök valamilyen típusú fémből, általában alumínium-oxidból álló úgynevezett Josephson-csomópontokat (alagutakat) tartalmaznak, amelyek átjárót képeznek a szupravezető rétegek között egy egészen vékony szigetelőréteg beiktatásával. Ezeken az alagutakon az elektromos áram a kvantumalagutazás jelenségének segítségével halad át és fejti ki hatását, mikor az eszközt abszolút nulla fok körüli hőmérsékletre hűtik kriogenikus hűtéssel.

Ezen a hőmérsékleten a kvantumbitek kevésbé érzékenyek a környezet hatásaira és az energiaminimumot képviselő alapállapotba kerülnek, amelyről egy nagyobb energiájú gerjesztett állapotba lehet őket hozni mikrohullámú rezonátorral. A mesterséges atomok a természetes atomoktól eltérően tehát áramkörökből felépülő egységek, ahol az alap-, és a gerjesztett állapot a kvantumbit két, számításokhoz szükséges energiaszintje. A hagyományos bitekkel dolgozó számítógépek teljesítményét túlszárnyaló kapacitás elérése csak a jelentős mennyiségű qubit integrálásával és ezek együttműködésével lehetséges, a szupravezető egységek pedig leggyakrabban transzmon qubitokat tartalmaznak, amelyek a legegyszerűbb felépítésű kvantumbitek és számos előnyös tulajdonsággal bírnak.

A transzmon a transmission line shunted plasma oscillation rövidítése és egy olyan kvantumbitet takar, amit a zajra való fogékonyság csökkentésének céljával terveztek meg 2007-ben. Ezt a hatást nagyobb kondenzátorok segítségével érik el, de a speciális tulajdonság nem jár az interakcióra való képesség gyengülésével, a qubit-foton kapcsolódás így is erős marad. A szupravezető áramkörök egyik hátránya más módszerekkel, például a csapdázott ion struktúrával szemben a viszonylag rövid koherencia idő, de a transzmon ezen a téren jobb teljesítménnyel rendelkezik más szupravezető qubitoknál, többek között a fluxóniumnál is. A transzmonok alkalmazásának akadálya, hogy minél több qubitot integrálnak egy rendszerbe, annál nagyobb valószínűséggel fordul elő, hogy a hasonló frekvencián való működésük miatt kapuhibák alakulnak ki és a kvantumeszközzel végzett számítás megbízhatatlanná válik.

Ezt a problémát küszöböli ki az IBM kutatóközpontjának új felfedezése, aminek eredményeként olyan transzmonhoz hasonló, de mégis eltérő tulajdonságokkal bíró qubitot fejlesztettek, ami "immunis" a frekvenciazavarokra. A WTQ (gyengén hangolható kvantumbit) nem egy, hanem három Josephson-csomópontot tartalmaz, amelyek nem teljesen azonos felépítésűek. Ez a kialakítás, a felfedezésről beszámoló Aps Physics leírása szerint, lehetővé teszi a kvantumbitek frekvenciájának finomhangolását, ami igaz, hogy csak nagyon apró különbséget okoz a qubitok jellemzőiben, de ahhoz elegendőt, hogy a zavaró hatást eliminálja.

Az új qubit transzmonszerű tulajdonságai, megfelelő koherencia ideje és a zajokkal szembeni ellenállása ideális jelöltté tehetik a szupravezető architektúrák alapvető egységeinek szerepére,

és a transzmonok jobb teljesítményt adó utódjává léphet elő. A WTQ és más, akár a jövőben felfedezett qubit típusokkal pedig elérhető közelségbe kerülhetnek a valóban jól működő és megbízható kvantumszámítógépek is.

(Fotó: IBM, Getty Images/Andrey Suslov)


1 éves ROADSTER előfizetés + Renoir – A Festő és Modelljei kiállítás páros belépőjegy: 12 990 Ft
Válassz egyet a ROADSTER magazin szuper előfizetési ajánlatai közül!
Gamernek keresel karácsonyi ajándékot? Mondjuk a tuti tippeket!
Ha nem szoktál játszani, akkor gamer barátodnak vagy családtagodnak karácsonyi ajándékot választani extra kihívást jelent, ezért az Acer segítségével mondunk öt tippet, amivel sikert arathatsz.
Banyánfa: az ősi, “sétáló, kannibál” fa
Banyánfa: az ősi, “sétáló, kannibál” fa
Igazi fahorror: a banyánfa a hinduk szent fája, ám amellett, hogy képes a helyváltoztatásra, egyéb fákat is elfogyaszt, ha úgy adódik.
Mekkora eséllyel tart az emberi evolúció egy új faj kialakulásának az irányába?
Mekkora eséllyel tart az emberi evolúció egy új faj kialakulásának az irányába?
Fajunk 300 ezer évvel egyedüli emberfaj lett a bolygón, az viszont nehéz kérdés, hogy éppen egy új faj kialakulásának az irányába tart-e az evolúciónk. Ennek oka, hogy bizonyos tényezők ebbe az irányba mutatnak, míg mások épp az ellenkezőbe. Elmondjuk, milyen körülmények esetén alakulhatna ki belőlünk egy új faj.
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.