Egy molekula különös viselkedése egy kísérleti szilíciumchipen olyan felfedezéshez vezetett el, ami megnyitja az utat a kvantumszámítások előtt a félvezetőkben.

A kutatást jegyző Purdue Egyetem munkatársai az online Nature Physics szaklapban írják le hogyan hoztak létre egy új, hibrid molekulát, amiben a kvantumállapot szándékosan manipulálható. Ez egy igen fontos lépés a kvantumszámítógépek megvalósításának irányába, bár koránt sem jelenti azt, hogy a vívmány évtizedekkel előbbre hozná a kvantum-számítástechnika elterjedését, csupán közelebb hozza a valósághoz a tudósok álmait, figyelmeztet Gerhard Klimeck, az egyetem villamos- és számítógép mérnöki karának professzora.

A hagyományos számítógépek működése gyakorlatilag 50 éve változatlan. A szobaméretű óriások is információs biteket, egyeseket és nullákat használtak, mint mai high-tech társaik. A kvantum-számítástechnika a kvantumfizika különös tulajdonságait aknázná ki, a hagyományos bitek helyett kvantumbiteken szállítva az információt, jelentősen felgyorsítva a feldolgozást. Ha egy hagyományos gépnek kiadjuk a feladatot, hogy keresse meg egy egyén telefonszámát a telefonkönyvben, a gép minden nevet végigböngész, amíg meg nem találja a helyes választ. Ezzel szemben egy kvantumszámítógép egyidejűleg tudná vizsgálni a telefonkönyv összes bejegyzését.

A kvantumszámítógépek a kvantummechanika sokak számára elképzelhetetlen viselkedéseiből juthatnak előnyhöz, melyek közül nem egy még a fizikusok számára sem magától értetődő. Például két kvantumszámítógép elméletben képes azonnali kommunikációra egymással bármilyen távolságból, legyen az akár több naprendszernyi méretű.

Albert Einstein az 1930-as években Erwin Schrödingerhez írt levelében fogalmazta meg, hogy egy kvantumállapotban levő puskaporos hordó egyaránt tartalmazna felrobbant és nyugalmi állapotban lévő molekulákat, ez az eszmefuttatás vezette el az osztrák tudóst a híres Schrödinger macskája gondolatkísérletéhez. Ez a "sem itt, sem ott" kvantumállapot kontrollálható az új molekulában pusztán egy tranzisztor feszültségének váltogatásával. Egészen mostanáig az jelentette a kihívást, hogyan alkossanak egy számítógép félvezetőt, amiben a kvantumállapot irányítható, ez ugyanis nagyban hozzájárul egy kvantumbit előállításához.

"Ha szeretnénk egy kvantumszámítógépet építeni, akkor képesnek kell lenni a kvantumállapotok kontrollálására" - magyarázta Klimeck. "Ebben a mesterséges atomban képesek vagyunk vezérelni az elektron elhelyezkedését, ezáltal kontrollálhatjuk a kvantumállapotot egy külső elektromos mező alkalmazásával." A felfedezéshez a holland Delfti Műszaki Egyetem nanoméretű tranzisztorokkal folytatott kísérletei vezettek el, melyek a félvezetők szennyeződéseinek hatásait vizsgálták. Sven Rogge, a kutatás vezetője a tranzisztor áram-feszültség karakterisztikáinak tanulmányozásából megállapította, hogy az elektronokat egyetlen atom szállítja, azt azonban nem sikerült kideríteniük, hogy melyik szennyeződés idézi elő ezt a hatást.

Az ausztrál Melbourne Egyetemen Lloyd Hollenberg fizikus és kollégái mélyebbre ásták magukat a témában és megalkottak egy elméleti szilícium alapú kvantumszámítógép chipet egy egyéni szennyeződés koncepcióját alkalmazva, majd megállapították, hogy a méréseknek csak akkor van értelme, ha a molekulát két részből állónak tekintik. Hollenberg szerint az egyik vége egy, a szilíciumba ágyazott arzén atom, míg a molekula 'mesterséges' vége a tranzisztor szilícium felületének közelében alakul ki, amikor elektromosságot halad át a tranzisztoron, ami így "ember alkotta" molekulának tekinthető, nincs megfelelője a természetben.

Klimeck munkatársaival elkészítette a NEMO-3D nano-elektronikai modellező program egy frissített változatát, amivel az anyagot 3 millió atom méreten szimulálhatta. "Azért volt szükség ilyen nagy számú atommal történő modellezésre, hogy lássuk az új, kibővített kvantum-jellemvonásokat" - tette hozzá Klimeck. A szimuláció bebizonyította, hogy az új molekula egy hibrid, az egyik végén egy természetes arzén atommal, ami egy szokványos gömb alakot vesz fel, a másikon egy új, mesterséges atommal, ami egy ellaposodott kétdimenziós alakban testesült meg. A feszültség szabályozásával a kutatók képesek voltak az elektront a molekula bármelyik végére eljuttatni, illetve rábírni egy köztes, kvantumállapotú létre.