Biții cuantici, sau qubiții, formați din electroni care plutesc deasupra heliului lichid ar putea într-o zi să alimenteze următoarea generație de calculatoare cuanticepotrivit unui nou studiu.
În timp ce biții care alimentează computerele clasice codifică datele fie ca 0 sau 1, qubiții pot fi o suprapunere a acestor două stări, ceea ce înseamnă că le pot ocupa pe ambele în paralel în timpul procesării calculelor. Calculatoarele construite astfel pot fi într-o zi mult mai puternice decât cele mai rapide supercalculatoare din ziua de azi — și promit să fie transformatoare în mai multe domenii, inclusiv descoperirea de medicamente și combaterea schimbărilor climatice.
Qubiții sunt în mod normal obținuți prin manipularea stării de spin a unui electron între pozițiile sale de rotație în sus și în jos, care reprezintă 1 și 0.
Alte particule utilizate ca qubiți includ ioni prinși, fotoni, atomi artificiali sau reali și cvasiparticule, conform Microsoft, iar majoritatea qubiților realizează o suprapunere prin răcirea unui metal supraconductor (care conține particula) la zero absolut.
Dar într-un studiu publicat pe 9 noiembrie în jurnal Revizuirea fizică aplicată, oamenii de știință susțin că această abordare convențională a construirii unui qubit este o provocare. Acest lucru se datorează faptului că combinarea electronilor și a cristalelor în stare solidă (inclusiv metale) creează impurități în material. Aceasta înseamnă că qubiții nu sunt uniformi și, la rândul său, acest lucru duce la o șansă mai mare ca qubiții să eșueze în timpul calculelor.
Aceste defecte pot cauza mai multe probleme, inclusiv „potențial electric imprevizibil” și dificultăți de a produce „mulți qubiți uniformi”, au spus oamenii de știință într-un afirmație. De asemenea, înseamnă că mărirea numărului de qubiți într-un sistem cuantic va amplifica rata de eroare.
Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință să propună un plan pentru un nou tip de qubit care, teoretic, este lipsit de astfel de erori. Ei cred că a face electronii să plutească în vid deasupra unui bazin de heliu lichid nu ar introduce niciun defect în sistem. Aceasta înseamnă că ar fi necesari mult mai puțini qubiți într-un viitor computer cuantic pentru a obține supremația cuantică – unde puterea unui computer cuantic depășește un computer clasic – pentru că nu trebuie să luați în considerare o rată de eșec ridicată a qubiților.
„Cristalele în stare solidă vor avea întotdeauna unele defecte, ceea ce înseamnă că nu putem crea un mediu perfect pentru electroni”, a spus autorul principal al lucrării. Erika Kawakami, un fizician care lucrează la Centrul RIKEN pentru calcul cuantic din Japonia, în declarație. „Acest lucru este problematic dacă vrem să creăm o mulțime de qubits uniformi. Și deci este mai bine să ai qubit-uri [a] vid.”
Bazându-se pe cercetările anterioare
Această abordare a qubiților nu este nouă. În 1999, oamenii de știință a propus un sistem fizic în care electronii plutitori au format qubiți în vid nu departe de suprafața heliului lichid.
Dar, deoarece cercetarea în calculul cuantic era abia în stadiile sale incipiente, această cercetare s-a întins doar pe porți cuantice – o componentă esențială, dar de bază a operațiilor matematice cuantice, care este alcătuită dintr-o mică colecție de qubiți. Porți cuantice sunt fundamentul circuitelor cuantice și sunt utilizate predominant pentru crearea algoritmilor cuantici.
În ultimii câțiva ani, cercetarea în calculul cuantic a avansat foarte mult, determinând Kawakami și colegii săi să extindă această cercetare anterioară cu o nouă teorie în care un qubit hibrid este format din două stări distincte de electroni plutitori. „Starea de încărcare” folosește un câmp electric pentru a manipula ușor electronul pe distanțe moderate cu un câmp electric, în timp ce „starea de rotație” poate fi folosită pentru a stoca datele în mod stabil. Datele sunt transferate între aceste două proprietăți datorită interacțiunii dintre aceste două stări.
Ei au propus un sistem care prinde electroni deasupra heliului lichid folosind nenumărate stâlpi feromagnetici mici, permițând ca peste 10 milioane de qubiți să se potrivească într-o zonă de mărimea unui timbru poștal. În următoarea etapă a acestei cercetări, oamenii de știință speră să-și testeze teoriile prin efectuarea unui experiment practic cu un prototip.
„Am propus cum să realizăm porți de un qubit și doi qubit folosind electroni pe heliu și am estimat fidelitățile acestora”, a adăugat Kawakami. “Am specificat, de asemenea, cum putem mări numărul de qubiți. Acesta este ceva nou.”