Kvantni računari ostvaruju ogroman napredak kroz radikalna otkrića

Ultračisti silicijum i kvantna revolucija

Istraživanje je predvodio profesor Richard Curry iz grupe za napredne elektronske materijale na Univerzitetu u Manchesteru, u saradnji sa Univerzitetom u Melburnu u Australiji.

„Ono što smo uspeli da postignemo je efikasno stvaranje ključnog gradivnog bloka za izgradnju kvantnog računara na bazi silicijuma“, objavio je profesor Curry.

„Ovo je ključni korak ka stvaranju tehnologije koja ima potencijal da bude transformativna za čovečanstvo; tehnologija koja bi mogla da nam omogući obradu podataka u takvim razmerama, da ćemo biti sposobni da pronađemo rešenja za složene probleme kao što su suočavanje sa posledicama klimatskih promena ili suočavanje sa izazovima u zdravstvu“, nastavio je Curry.

Izazovi u kvantnom računarstvu

Jedan od najvećih izazova u razvoju kvantnih računara je što su kubiti, gradivni blokovi kvantnog računarstva, visoko osetljivi na poremećaje i zahtevaju stabilno okruženje kako bi očuvali konzistentnost u informacijama kojima operišu. Čak i male promene u njihovom okruženju, uključujući promenu temperature, mogu izazvati greške, nestabilnost u radu koje u potpunosti poništava njihovu upotrebljivost u izvodjenju realnih zadataka obrade informacija.

Drugi problem je njihova razmera, kako fizička veličina tako i procesorska snaga. Deset kubita ima istu procesorsku snagu kao 1.024 bita u konvencionalnom digitalnom računaru i uslovno može se smestiti u mnogo manju zapreminu.

Naučnici veruju da potpuno funkcionalni kvantni računar zahteva oko milion kubita, što mu daje mogućnosti koje nijedan konvencionalni digitalni računar nije u stanju da ostvari.

Razumevanje kubita i njegova uloga u kvantnom računarstvu

Kubiti, ili kvantni bitovi, osnovni su gradivni blokovi kvantnih računara, analogno bitovima u konvencionalnim digitalnim računarima. Međutim, kubiti imaju nekoliko posebnih i jedinstvenih svojstava koja ih razlikuju od bitova kakve poznajemo:

Superpozicija

Dok bitovi kao nosioci informacija mogu biti samo u jednom od dva stanja, 0 ili 1, kubiti se mogu postojati u superpoziciji više stanja istovremeno. To znači da kubit može predstavljati kombinaciju i 0 i 1 istovremeno. Ova vrsta superpozicije, potpuno strana našem razumevanju bita kao osnovnog nosioca informacije, omogućava kvantnim računarima da obavljaju mnogo računskih operacija paralelno.

Povezanost

Kubiti mogu biti povezani jedan sa drugim, što znači da su njihova kvantna stanja povezana, čak i ako su fizički razdvojeni. Ovo svojstvo omogućava kvantnim računarima da obavljaju određena računanja mnogo brže nego konvencionalni digitalni računari.

Osetljivost

Kubiti su izuzetno osetljivi na svoje okruženje i lako gube svoje kvantno stanje – proces koji se naziva dekoherencija. Osetljivost na poremećaje, odnosno ostvarivanje potrebne robusnosti na poremećaj je jedan od ključnih izazova u izgradnji stabilnih, praktično upotrebljivih kvantnih računara.

Kvantni logički elementi

Operacije na kubitima obavljaju se koristeći kvantne logičke elemente, koja su kvantni ekvivalent logičkih elemenata u konvencionalnim digitalnim računarima. Ovi logički elementi manipulišu kvantnim stanjima kubita i tako ostvaruju obradu informacija.

Merenje

Kada se stanje kubita izmeri, on se urušava iz svog superpozicionog stanja u neko od dva deterministička stanja, 0 ili 1. Ishod merenja je probabilistički i zavisi od početnog kvantnog stanja kubita.

Korekcija grešaka

Zbog osetljivosti kubita, potrebne su tehnike kvantne korekcije grešaka kako bi se održala konzistentnost kvantnih računanja. Ove tehnike uključuju korišćenje više kubita za enkodiranje i zaštitu informacija koje se čuvaju u jednom logičkom kubitu.

Istraživači istražuju različite fizičke sisteme za praktično izvodjenje kubita, poput superprovodnih kola, zarobljenih jona, fotona i kubita na bazi silicijuma.

Svaki pristup ima svoje prednosti i izazove, a izbor tehnologije kubita zavisi od faktora poput skalabilnosti, odnosno mogućnosti njihove primene za izgradnju složenih logičkih mašina,  stepena pojave greške i lakoće manipulacije.

Silicijum je ključ za izgradnju praktično upotrebljivih kvantnih računara

Silicijum je osnovni materijal u klasičnom računarstvu zbog svojih poluprovodničkih svojstava, a istraživači veruju da bi mogao biti dobar tehnološki odgovor za izgradnju kvantnih računara. Međutim, prirodni silicijum se javlja se kao mešavina njegova tri izotopska oblika – silicijum 28, odnosno SI-28, Si-29 i Si-30. Si-29, koji čini oko 5% prirodnog silicijuma, izaziva efekat “nuklearne klackalice “, zbog čega kubit ima tendenciju nestabilnosti i gubitka informacija.

Istraživači na Univerzitetu u Melburnu osmislili su postupak uklanjanja Si-29 i Si-30 izotopa, i tako dobili savršeni materijal za proizvodnju kvantnih računara u velikom obimu i sa visokom pouzdanošću u radu. Rezultat – najčistiji silicijum na svetu – otvara put ka stvaranju logičkih struktura sa milion kubita, koje se mogu smestiti u zapreminu veličine glave čiode!

“Velika prednost kvantnog računarstva na bazi silicijuma je ta što se iste tehnike koje se koriste za proizvodnju elektronskih čipova – trenutno sve prisutne u modernom svetu digitalnih računara ili sličnih uredjaja koji se sastoje od milijardi tranzistora – mogu se koristiti za stvaranje kubita za kvantne uređaje na bazi silicijuma”, primetio je Ravi Acharya, doktorant koji je obavljao eksperimentalni rad na projektu.

“Mogućnost stvaranja visokokvalitetnih silicijumskih kubita delimično je bila ograničena do sada čistoćom početnog silicijumskog materijala koji se koristi. Ekstremno visoka čistoća koju ovde pokazujemo rešava ovaj problem”, nastavio je Acharya.