Οι ημιαγωγικοί κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για το μέλλον της κβαντικής πληροφορικής, όμως η δημιουργία συστημάτων μεγάλης κλίμακας παραμένει δύσκολη.
Δύο ανεξάρτητες μελέτες που δημοσιεύθηκαν στο Nature αντιμετωπίζουν δύο βασικά εμπόδια – τη σύνδεση απομακρυσμένων qubits και τον έλεγχο μεγάλου αριθμού κβαντικών στοιχείων χωρίς πολύπλοκη καλωδίωση.
Τα ημιαγωγικά qubits αποθηκεύουν πληροφορίες στο κβαντικό spin ενός μόνο ηλεκτρονίου, το οποίο παγιδεύεται μέσα σε μια μικροσκοπική δομή πυριτίου που ονομάζεται κβαντική τελεία. Μέσω ηλεκτρικών σημάτων, οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν την κατάσταση αυτών των ηλεκτρονίων και να εκτελούν κβαντικές πράξεις.
Η πρόκληση της σύνδεσης πολλών qubits
Μία από τις δυσκολίες είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits λειτουργούν συνήθως μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις. Αυτό απαιτεί την τοποθέτησή τους πολύ κοντά, αφήνοντας ελάχιστο χώρο για τα συστήματα ελέγχου που απαιτούνται σε μεγαλύτερες διατάξεις.
Η ομάδα του πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Ντελφτ αντιμετώπισε το πρόβλημα δημιουργώντας ένα σύστημα όπου ένα qubit μπορούσε να μετακινείται φυσικά σε απόσταση περίπου 1,2 μικρομέτρων. Με αυτή την κίνηση, το qubit μπορούσε να αλληλεπιδρά με τέσσερα άλλα qubits και να πραγματοποιεί ελέγχους ισοτιμίας που είναι απαραίτητοι για τη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων.
Έλεγχος μεγάλου αριθμού κβαντικών στοιχείων
Η δεύτερη μελέτη, από την ομάδα HRL Quantum Team, επικεντρώθηκε στον έλεγχο πολλών qubits. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα τσιπ με 54 κβαντικές τελείες, καθεμία από τις οποίες μπορεί να φιλοξενήσει έως 18 qubits.
Το σύστημα συνδέθηκε με ειδικό κύκλωμα ελέγχου που λειτουργεί σε θερμοκρασία λίγο υψηλότερη από εκείνη των ίδιων των qubits. Για τη μεταφορά σημάτων χρησιμοποιήθηκε υπεραγώγιμη καλωδίωση, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική διαχείριση του κβαντικού υλικού.
Προς την πρακτική κβαντική υπολογιστική
Οι δύο ομάδες πέτυχαν σημαντικές βελτιώσεις. Η ομάδα του Ντελφτ απέδειξε πραγματική κβαντική διεμπλοκή μεταξύ πέντε qubits, ενώ η ομάδα HRL χρησιμοποίησε το σύστημά της για διαδικασίες ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων με απόδοση περίπου δέκα φορές καλύτερη από προηγούμενες προσπάθειες.
Παρότι απαιτείται ακόμη πολλή έρευνα πριν δημιουργηθούν πλήρως λειτουργικοί κβαντικοί υπολογιστές βασισμένοι στο πυρίτιο, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ημιαγωγικές τεχνολογίες μπορούν να αποτελέσουν βάση για επεκτάσιμα και αξιόπιστα κβαντικά συστήματα.
