Kvantum-világcsúcs szobahőmérsékleten

39 percen át maradt fenn szobahőmérsékleten egy máskülönben rendkívül törékeny kvantumállapot, ami sok millió számítás elvégzéséhez elegendő.

Az ultragyors kvantumszámítógépek előtt tornyosuló akadályok legújabb áttörési kísérletében egy nemzetközi csapatnak sikerült diadalmaskodnia. A hagyományos számítógépeknél az adatokat egyesek és nullák láncolatával tároljuk, míg a Stephanie Simmons, az Oxford Egyetem anyagtudósa által a Science szaklapban közzétett kísérletben az információ kvantumbitjeit, kubitjeit egy olyan "szuperpozíció" állapotba késztették, amiben egyszerre lehetnek egyesek és nullák, számítások hadát végezve el egyidejűleg.

A kísérletben a csapat- melyben a kanadai Simon Fraser Egyetem kutatói is részt vettek Mike Thewalt vezetésével - mínusz 269 Celsius fokról elkezdték fokozatosan emelni a szilíciumban elhelyezkedő foszforatomok magjaiba kódolt információt hordozó rendszer hőmérsékletét egészen 25 Celsiusig. A szuperpozíció ezen a kellemes hőmérsékleten 39 percen át maradt fenn. A korábbi szobahőmérsékleten mért rekord mindössze két másodperc környékén mozgott. A csapatnak a hőmérséklet emelkedésével sikerült a kubitek manipulálása is, majd az átalakított információk "visszafagyasztása". Ez a kubitek kiolvasásához használt optikai technika csak nagyon alacsony hőmérsékleteken működik.

"39 perc talán nem tűnik túl hosszúnak, de ha figyelembe vesszük, hogy egy foszforion atommag perdületének megfordítása - a kvantumszámításokat futtató művelettípus - csupán a másodperc százezred részét veszi igénybe, akkor elméletileg több mint kétmillió műveletet lehet elvégeztetni, mialatt a szuperpozíció a természetes bomlás következtében egy százalékkal csökken. Ilyen erős és hosszú életű kubitek nagy segítséget jelenthetnek bárki számára, aki egy kvantum számítógép megépítésével kísérletezik" - mondta Simmons. "Ez megnyitja az igazán hosszan tartó koherens információtárolás lehetőségét" - tette hozzá Thewalt.

A csapat egy szilíciumforgáccsal kezdte, amit kis mennyiségű más elemekkel, köztük foszforral támogattak meg. Ahogy fentebb említettük, a kvantuminformációt a foszforatomok magjába kódolták. Minden nukleusz egy belső kvantum-tulajdonsággal rendelkezett, egy perdülettel, melynek hatására egy apró rúdmágnesként viselkedik, amikor mágneses mezőbe helyezik. A perdületek manipulálhatók, hogy felfelé (0), lefelé (1), vagy a kettő közötti bármilyen szögbe mutassanak, megtestesítve a két másik állapot szuperpozícióját.

A csapat mindössze az abszolút nulla fok fölött 4 Celsiusszal készítette elő a kísérletet, majd egy mágneses mezőbe helyezte. További mágneses mező impulzusokat használtak az atomi perdület irányának megbillentéséhez és a szuperpozíció állapotok létrehozásához. Amikor a kísérlet ebben a kriogén hőmérsékletben helyezkedett el, az ionok közel 37 százalékának atommag perdületei - a kvantum koherencia tipikus viszonyítási alapja - körülbelül három órán át maradtak szuperpozíció állapotukban. Ugyanekkora arányban élték túl a szobahőmérsékletet 39 percen át. "Ezek az élettartamok legalább tízszeresek a korábbi kísérletekben mértekhez viszonyítva" - mondta Simmons. "Sikerült azonosítanunk egy alapvetően zajmentes rendszert. Ezek nagy teljesítményű kubitek."

A nagyszabású kvantumszámítások kivitelezése előtt azonban akad még bőven tennivaló. A kísérletben a 10 milliárd foszforion atommag perdületét ugyanabba a kvantumállapotba helyezték, számítások futtatásához azonban a fizikusoknak különböző kubiteket különböző állapotokba kell állítaniuk. "Ez az utolsó nagy kihívás ahhoz, hogy kontrollálhatóan kommunikáljanak egymással" - összegzett Simmons.