Οι θεμελιώδεις μονάδες του κβαντικού υπολογισμού, γνωστές ως κβαντικά bit ή qubits, είναι ευαίσθητες σε μικρές αλλαγές στο περιβάλλον τους, όπως είναι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Οι τρέχοντες κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να διατηρήσουν συνοχή χωρίς σφάλματα-εύθραυστη κβαντική συνοχή επιφέρει γρήγορη συσσώρευση υπολογιστικών σφαλμάτων-μόνο για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, ακόμη και όταν λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (μείον 273 βαθμοί Κελσίου).
Τώρα, επιστήμονες στα Πανεπιστήμια της Μελβούρνης και του Μάντσεστερ ανέπτυξαν μια επαναστατική μέθοδο για να κατασκευάσουν το πιο καθαρό πυρίτιο στον κόσμο που αποτελεί το τελειότερο υλικό για την κατασκευή κλιμακωτών κβαντικών υπολογιστών με υψηλή ακρίβεια. Οι επιστήμονες το παρήγαν χρησιμοποιώντας qubits ατόμων φωσφόρου εμφυτευμένα σε κρυστάλλους καθαρού, σταθερού πυριτίου. Το εύρημα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Communications Materials – Nature.
Η καινοτομία τους θα μπορούσε να ξεπεράσει ένα κρίσιμο εμπόδιο στον κβαντικό υπολογισμό επεκτείνοντας τη διάρκεια της διαβόητης εύθραυστης κβαντικής συνοχής. Αυτή η νέα τεχνική προσφέρει ισχυρή συνοχή, επιτρέποντας στους κβαντικούς υπολογιστές να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα μέσα σε ώρες ή λεπτά αντί για…αιώνες που θα χρειάζονταν οι συμβατικοί ή «κλασικοί» υπολογιστές -ακόμη και οι υπερυπολογιστές.
Ο καθηγητής του πανεπιστημίου του Μάντσεστερ Richard Curry, αναφέρει σε δελτίο τύπου ότι: «Αυτό που καταφέραμε να κάνουμε είναι να δημιουργήσουμε ένα κρίσιμο ‘τούβλο’ με βάση το πυρίτιο, που απαιτείται για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή. Είναι ένα κρίσιμο βήμα για τη δημιουργία μιας τεχνολογίας που έχει τη δυνατότητα να μεταμορφώσει την ανθρωπότητα», σχολιάζει.
Ένα άλλο ζήτημα στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών είναι η κλίμακα, τόσο το φυσικό τους μέγεθος όσο και η ικανότητα επεξεργασίας τους. Δέκα qubits έχουν την ίδια επεξεργαστική ισχύ με 1.024 bit σε έναν κανονικό υπολογιστή και δυνητικά μπορούν να καταλαμβάνουν πολύ μικρότερο όγκο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής με πλήρη απόδοση χρειάζεται περίπου ένα εκατομμύριο qubits, δυνατότητα που δεν είναι εφικτή από κανέναν κλασικό υπολογιστή.
Το πυρίτιο είναι το υποστηρικτικό υλικό στους συμβατικούς υπολογισμούς λόγω των ημιαγωγικών του ιδιοτήτων και οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσε να είναι η απάντηση για την κατασκευή κλιμακωτών κβαντικών υπολογιστών. Οι επιστήμονες πέρασαν τα τελευταία 60 χρόνια μαθαίνοντας πώς να αναπτύσσουν πυρίτιο για να το κάνουν να αποδίδει στο μέγιστο των δυνατοτήτων του, αλλά αυτό στον κβαντικό υπολογισμό έχει τις προκλήσεις του. Το φυσικό πυρίτιο αποτελείται από τρία άτομα διαφορετικής μάζας (ισότοπα), τα Si-28, Si-29 και Si-30.
Το θέμα είναι ότι ενώ το πυρίτιο αποτελείται κυρίως από το επιθυμητό ισότοπο Si-28, διαθέτει επίσης περίπου 4,5% ισότοπο Si-29. Κάθε άτομο στο Si-29 περιέχει ένα πρόσθετο νετρόνιο που λειτουργεί ως ένας μικροσκοπικός αδίστακτος μαγνήτης (που προκαλεί το φαινόμενο «πυρηνικού flip flopping»), σπάζοντας την κβαντική συνοχή και προκαλώντας λάθη στον υπολογισμό. Οι επιστήμονες κατεύθυναν μια εστιασμένη, υψηλής ταχύτητας δέσμη καθαρού Si-28 σε ένα τσιπ, αναγκάζοντάς το να αντικαταστήσει σταδιακά τα άτομα του Si-29 και μειώνοντάς το από το 4,5% στα δύο μέρη ανά εκατομμύριο (0,0002%). Το αποτέλεσμα – το πιο καθαρό πυρίτιο στον κόσμο – παρέχει ένα μονοπάτι για τη δημιουργία ενός εκατομμυρίου qubits, τα οποία μπορούν να συσκευαστούν στο μέγεθος της κεφαλής της καρφίτσας.
Ο επικεφαλής συγγραφέας Ravi Acharya, από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και της Μελβούρνης, λέει ότι: «η τεχνική ανοίγει το δρόμο για αξιόπιστους κβαντικούς υπολογιστές που υπόσχονται αλλαγές σταδιακά σε ολόκληρη την κοινωνία, συμπεριλαμβανομένων της τεχνητής νοημοσύνης, του διαμοιρασμού δεδομένων με ασφάλεια, των επικοινωνιών, της σχεδίασης εμβολίων και φαρμάκων, της χρήσης ενέργειας, της υλικοτεχνικής υποστήριξης και κατασκευής».
«Τα σπουδαία νέα είναι ότι για να καθαρίσουμε το πυρίτιο σε αυτό το επίπεδο, μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε ένα τυπικό μηχάνημα, έναν εμφυτευτή ιόντων που υπάρχει σε οποιοδήποτε εργαστήριο κατασκευής ημιαγωγών, συντονισμένο σε μια συγκεκριμένη διαμόρφωση που σχεδιάσαμε», είπε ο καθηγητής Jamieson .
Σε προηγούμενη δημοσιευμένη έρευνα το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης μαζί με το Κέντρο Αριστείας ARC για την Κβαντική Τεχνολογία Υπολογισμού και Επικοινωνίας, πέτυχαν και εξακολουθούν να διατηρούν το παγκόσμιο ρεκόρ συνοχής ενός qubit 30 δευτερολέπτων χρησιμοποιώντας πυρίτιο που ήταν λιγότερο καθαρό. Τα 30 δευτερόλεπτα είναι αρκετός χρόνος για να ολοκληρωθούν σύνθετοι κβαντικοί υπολογισμοί χωρίς σφάλματα.
Ο καθηγητής Jamieson είπε ότι οι μεγαλύτεροι κβαντικοί υπολογιστές που λειτουργούν έχουν περισσότερα από 1000 qubits, αλλά τα σφάλματα εμφανίζονται μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου λόγω της απώλειας συνοχής.
«Τώρα που μπορούμε να παράγουμε εξαιρετικά καθαρό Si-28, το επόμενο βήμα μας θα είναι να δείξουμε ότι μπορούμε να διατηρήσουμε την κβαντική συνοχή για πολλά qubits ταυτόχρονα. Ένας αξιόπιστος κβαντικός υπολογιστής με μόλις 30 qubits θα ξεπερνούσε την ισχύ των σημερινών υπερυπολογιστών για ορισμένες εφαρμογές», είπε.
Μια έκθεση του 2020 από το CSIRO της Αυστραλίας υπολόγισε ότι ο κβαντικός υπολογιστής στην Αυστραλία έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει 10.000 θέσεις εργασίας και 2,5 δισεκατομμύρια δολάρια σε ετήσια έσοδα έως το 2040. «Η έρευνά μας μάς φέρνει πολύ πιο κοντά στην υλοποίηση αυτής της δυνατότητας», είπε ο καθηγητής Jamieson.
