Η ανάπτυξη τεχνολογίας που επιτρέπει την ταυτόχρονη σταθερότητα και προσβασιμότητα της κβαντικής πληροφορίας αποτελεί κρίσιμη πρόκληση για τη δημιουργία χρήσιμων, μεγάλης κλίμακας κβαντικών υπολογιστών. Έρευνα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature προσφέρει μια πορεία προς την κλιμάκωση του αριθμού των κβαντικών τρανζίστορ (γνωστών ως qubit) σε ένα τσιπ, από τους σημερινούς αριθμούς κάτω των 100 σε εκατομμύρια, ώστε η κβαντική υπολογιστική να καταστεί πρακτική πραγματικότητα.
Το αποτέλεσμα αυτό επιτυγχάνεται χάρη σε νέα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχου που λειτουργούν σε συνθήκες σχεδόν απόλυτου μηδενός, και τα οποία αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.
Κβαντική υπολογιστική
Ο καθηγητής David Reilly από το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ και το Τμήμα Φυσικής δήλωσε:
«Αυτό μας μεταφέρει από το στάδιο όπου οι κβαντικοί υπολογιστές είναι απλώς εντυπωσιακές εργαστηριακές μηχανές, στο σημείο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να ανακαλύπτουμε τα πραγματικά προβλήματα που μπορούν να λύσουν αυτές οι συσκευές προς όφελος της ανθρωπότητας».
Το άρθρο αποτελεί καρπό συνεργασίας του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ με το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας, μέσω των αντίστοιχων spin-out εταιρειών Emergence Quantum και Diraq. Η εταιρεία του καθηγητή Reilly, Emergence Quantum, ιδρύθηκε φέτος με στόχο την εμπορική αξιοποίηση τεχνολογιών ελέγχου κβαντικών συστημάτων και άλλων προηγμένων ηλεκτρονικών, όπως το τσιπ που παρουσιάζεται στην παρούσα δημοσίευση του Nature.
Για την έρευνα αυτή, η ομάδα του ανέπτυξε ένα πυριτιούχο τσιπ που μπορεί να ελέγχει σπιν-qubits σε θερμοκρασίες μιλι-Κέλβιν. Αυτές είναι μόλις λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273,15 βαθμοί Κελσίου), τη θερμοκρασία στην οποία θεωρητικά η ύλη παύει να κινείται.
Πρώτο παγκοσμίως σύστημα ημιαγωγικού ελέγχου ενσωματωμένο με κβιτ
Ανάμεσα στις διάφορες τεχνολογίες υπό ανάπτυξη για κβιτ, οι ειδικοί θεωρούν ότι τα σπιν-qubits (όπου η πληροφορία κωδικοποιείται στον μαγνητικό προσανατολισμό μεμονωμένων ηλεκτρονίων) είναι πιο εύκολο να κλιμακωθούν, καθώς βασίζονται στην τεχνολογία CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) που ήδη χρησιμοποιείται ευρέως στους σημερινούς υπολογιστές.
Ωστόσο, τα σπιν-qubits πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασίες κάτω του 1 K για να μη χάνουν τις πληροφορίες τους. Για να επεκταθούν, πρέπει επίσης να ελέγχονται και να μετρώνται μέσω πολύπλοκων ενσωματωμένων ηλεκτρονικών. Υπήρχε σημαντική ανησυχία ότι ακόμα κι αν το σύστημα ελέγχου μπορούσε να λειτουργήσει σε τέτοιες θερμοκρασίες, η παραγόμενη θερμότητα και τα ηλεκτρικά παράσιτα από την εγγύτητα στα κβιτ θα υπονόμευαν τη λειτουργία τους.
Η ομάδα του καθηγητή Reilly έδειξε, για πρώτη φορά, ότι με προσεκτικό σχεδιασμό κάτι τέτοιο δεν ισχύει – μια ζωτικής σημασίας απόδειξη που δείχνει ότι τα σπιν-qubits μπορούν πράγματι να κλιμακωθούν σε εκατομμύρια, καθιστώντας εφικτή τη δημιουργία χρήσιμων κβαντικών μηχανών.
Ο ίδιος δήλωσε:
«Το αποτέλεσμα αυτό είναι καρπός πάνω από δέκα ετών δουλειάς, κατά την οποία αποκτήσαμε την τεχνογνωσία για να σχεδιάσουμε ηλεκτρονικά συστήματα που καταναλώνουν εξαιρετικά μικρή ισχύ και λειτουργούν κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τώρα αποδείξαμε ότι μπορούμε να ενσωματώσουμε μια πλατφόρμα ελέγχου που συνεργάζεται με τα κβιτ χωρίς να καταστρέφει τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις τους».
Αυτό επιβεβαιώνει την ελπίδα πως πράγματι τα qubits μπορούν να ελέγχονται σε μεγάλη κλίμακα, μέσω ενσωματωμένων ηλεκτρονικών που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Το άρθρο μας δείχνει ότι, με κατάλληλο σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου, τα εύθραυστα qubits σχεδόν δεν επηρεάζονται από τους μεταγωγείς ενός τσιπ που βρίσκεται λιγότερο από ένα χιλιοστό δίπλα τους».
Περισσότερες πληροφορίες: Samuel K. Bartee et al, Έλεγχος spin-qubit με τσιπ CMOS milli-kelvin, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09157-x
Πληροφορίες περιοδικού: Nature
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ