A kvantumszámítógépek működési elve, hogy számítási egységük a hagyományos, kétértékű (0 vagy 1) bit helyett a kvantumbit vagy qubit, amely a két érték tetszőleges kombinációját felveheti. Ez a “kicsiny” eltérés a gyakorlatban azt jelenti, hogy már néhány tucat qubites kvantumszámítógépekkel is olyan problémák oldhatók meg másodpercek alatt, amelyekhez a sokmilliárd bites (vagyis néhány gigabájtos) memóriájú hagyományos számítógépeknek évszázadokra lenne szüksége.
A probléma, ahogy az lenni szokott, a technikai részletekben rejlik. Míg a valós bitek milliárdjainak tárolása a mikrocsipekben manapság teljesen rutinfeladat egy gyártó számára, a kvantumbitek gyakorlati megvalósítása még rengeteg nyitott kérdést tartogat. Extrém alacsony hőmérséklet, szupravezetés és számos technológiai bravúr szükséges ahhoz, hogy a dolog működjön, és több potenciális technológia van versenyben a leghatékonyabb megvalósításért. Kevés tudományterületen kerül ilyen közel egymáshoz az alapkutatás és az alkalmazás.
Macska a sötétben
A kutatások egyik fontos célja, hogy a kvantumbiteket minél jobban elszigeteljék a környezeti hatásoktól. Annak, aki ismeri a klasszikus példát: nem szerencsés, ha lyukak vannak Schrödinger macskájának dobozán. A feladat egyik megoldása, ha a körülményeket úgy szabályozzák, hogy a kvantumbitek a lehető legjobban védve legyenek a külső hatásoktól. Részben ez az oka annak, hogy például az IBM kvantumszámítógépe úgy néz ki, mint egy túlméretezett termoszba lógatott báltermi rézcsillár. Azonban az elszigeteltség mellett olykor – amikor az adatokat akarjuk kiolvasni – kívülről kapcsolatba kell lépni a kvantumbitekkel, és különböző elrendezésekben egymáshoz is csatolódniuk kell.
Számos itt felmerülő problémán segít azonban, ha eleve olyan kvantumbiteket alkalmaznak, amelyek kevésbé érzékenyek a környezeti hatásokra. Az elmúlt években a kutatók több olyan kvantumbit-koncepciót ötlöttek ki, amelyek szupravezetők környezetében létrehozott alacsony energiájú állapotokon alapulnak. Ezeknél az az elméleti várakozás, hogy sokkal ellenállóbbak a környezet hatásaival szemben, mint korábbi társaik, ráadásul ötvözik két rivális elgondolás – a spinalapú és a szupravezető-alapú – kvantumbitek előnyeit.
Az egyik ilyen, a Yu-Shiba-Rusinov (YSR) állapot, amely egy szupravezető felszínéhez közel helyezett ferromágneses atom körül jön létre. Ez az állapot azonban csak a ferromágneses atom körüli igen kicsiny térrészben alakul ki, és elképesztően precíz, valamint körülményes módszerekre van szükség ahhoz, hogy az egyedi atomokat kellően közel helyezzék egymáshoz. Márpedig ez a közelség létfontosságú a kvantumbitek egymáshoz csatolásához, és így a reménybeli kvantumszámítógép működéséhez.
Végy egy mesterséges atomot…
A BME Nanoelektronika Lendület-kutatócsoport munkatársainak azonban támadt egy ötlete, amely ügyesen megkerüli ezt a problémát: a mesterséges atomok használata. Ahhoz, hogy megértsük, mik is ezek, érdemes egy rövid kitérőt tennünk. Egy atomban a protonokat magában foglaló atommag egy erős pozitív töltésű potenciált hoz létre, ami magához csapdázza a negatív töltésű elektronokat. A nanotechnológiának köszönhetően napjainkban mesterségesen is létre tudunk hozni pozitív csapdázó potenciált, amely képes elektronokat befogni. Az ilyen mesterséges atomok nagy előnye, hogy a becsapdázott elektronok számát a csapda hangolásával lehet változtani. Ez a valódi atomok nyelvén azt jelenti, mintha aranyból platinává vagy higannyá lehetne átkapcsolni egy atomot. Mesterséges atomokat viszonylag elérhető technológiákkal, üzembiztosan létre lehet hozni napjainkban. (Persze egyelőre itt még mindig kutatási környezetről beszélünk, nem iparról.) A magyar kutatók indium-arzenid (InAs) félvezetőből készült, 50-60 nm vastag és néhány mikrométer hosszú nanopálcákat használtak. A nanopálcákhoz fém kapuelektródák csatlakoztak, amelyekkel egy-egy kis térrészben (például egy 50x50x50 nm-es kockán belül) csapdázni tudták az elektronokat, mesterséges atomot létrehozva.
Ezután már nem kellett mást tenni, mint hozzákapcsolni e mesterséges atomokat egy szupravezető elektródához, és megfigyelni, hogy mi történik. A kutatók nagy örömére létrejött az YSR-állapot, amit a szupravezető elektróda áramának mérésével tudtak vizsgálni. A kísérletekből kiderült, hogy ez esetben az YSR-állapot kiterjedése nagyságrendekkel nagyobb – 50–200 nm, vagyis a nanopálcák szélességének mérettartománya – volt, mint a valódi atomok használatánál mért néhány nanométeres érték. Mesterséges atomok létrehozhatók egymástól ilyen távolságra, akár a mai nanotechnológiai eljárásokkal, ipari méretekben is. Ez az eredmény tehát utat nyit mesterséges, egymáshoz csatolt elemeket tartalmazó YSR-láncok elkészítése felé, amelyek új technológiai alapot jelenthetnek a kvantumszámítógépeknek. Az YSR-állapotok váratlanul nagy kiterjedését a kutatóknak a BME-MTA Egzotikus Kvantumfázisok Lendület-kutatócsoporttal együttműködésben sikerült elméletileg is értelmezni.
Az eredményt a Nature Communications közölte, különlegessége, hogy a munka nagy részét a BME lendületes kutatói vitték végig. A kutatás következő lépése, hogy az így létrehozott YSR-állapotok kölcsönhatásait vizsgálják.
