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)