În Nature Communications a fost anunţată recent o nouă descoperire care oferă speranţe privind funcționarea cipurilor cuantice la temperatura camerei prin utilizarea unor materiale obişnuite.

Prepararea nanosferelor conductoare de carbon care funcționează ca qubiți la temperatura camereiPrepararea nanosferelor conductoare de carbon care funcţionează ca qubiţi la temperatura camerei (dreapta) prin arderea naftalinei (stânga). Credit:  Dr. Mohammad Choucair

În cele mai multe dintre cercetările actuale cu privire la dezvoltarea unui calculator cuantic, cipurile acestor calculatoare funcţionează la temperaturi foarte scăzute. Provocarea este ca aceste computere să devină mai practice pentru utilizarea de zi cu zi, adică să funcționeze la temperatura camerei.

Într-un calculator obişnuit informația este reprezentată sub formă binară printr-o succesiune de cifre binare (0 și 1).

Un computer cuantic folosește o secvență de biți cuantici sau qubiți. Aceştia pot reprezenta informația ca 0, 1 sau oricare dintr-o serie de stări dintre 0 și 1, adică prin superpoziția cuantică a acestor qubiţi.

Aceasta este caracteristica care le conferă computerelor cuantice o putere de procesare mult mai mare decât a calculatoarele obişnuite din prezent.

Spinul şi calculul cuantic

Un electron are o sarcină electrică și un spin. Spinul este acea proprietate care determină dacă un atom va genera un câmp magnetic. Spinul poate fi utilizat ca un qubit, deoarece acesta poate suferi tranziții între stările cuantice spin-up și spin-down, reprezentate clasic prin 0 și 1.

Prin urmare, stările de spin ale electronului trebuie să fie menţinute stabil, pentru a evita apariţia fenomenului de decoerență”. Acesta reprezintă o dezordine a stărilor de spin ale electronului în timpul superpoziției cuantice, care are ca rezultat pierderea de informații.

Durata de viaţă a stărilor de spin ale electronilor este afectată de vibrațiile din structura cristalină a materialului și de interacțiunile magnetice cu mediul înconjurător. Pentru calculul cuantic, durata de viaţă a stărilor de spin ale electronilor trebuie să depăşească 100 de nanosecunde.

Răcirea unui material până la o temperatură apropiată de zero absolut, -273° C, conduce la creșterea duratei de viață a stărilor de spin. Aceasta se măreşte și prin utilizarea unor materiale conductoare pure din punct de vedere magnetic.

Calculul cuantic la rece

Materialele utilizate în cipurile cuantice, cum ar fi siliciul sau metalele, trebuie răcite până la temperaturi apropiate de zero absolut.

Pentru efectuarea unor experimente cuantice la temperatura camerei s-au folosit şi alte materiale, dar acestea trebuie produse prin tehnologia izotopică în instalații de mari dimensiuni, cum ar fi reactoarele nucleare și ele prezintă limitări în ceea ce priveşte densitatea qubiților.

De ce avem nevoie de granule de naftalină?

Cercetătorii au demonstrat că se poate obţine o durată de viaţă a stărilor de spin mai mare de 100 de nanosecunde într-un material metalic format din nanosfere de carbon. Acest material a fost produs prin simpla ardere a naftalinei, ingredientul activ din granulele de naftalină.

Materialul este produs sub formă de pulbere solidă și este manipulat în aer. El poate fi apoi dispersat în etanol și apă sau depozitat direct pe o suprafață precum sticla. Deoarece materialul este remarcabil de omogen, acesta poate fi utilizat sub formă de pulbere solidă în vrac.

Cercetătorii au reuşit să obţină o durată de viaţă record a spinului electronului de 175 de nanosecunde, la temperatura camerei. Poate că aceasta nu pare o lungă perioadă de timp, dar ea este mai mare decât condiția prealabilă pentru aplicațiile de calcul cuantic și este de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea obţinută în grafen.

Acest lucru a fost posibil prin doparea materialului cu electroni de conducție și confinării acestora la o scară nanometrică. Practic, sferele pot fi realizate în întregime din carbon, ele păstrându-şi proprietăţile electronice unice.

Descoperirea cercetătorilor oferă posibilitatea ca qubiții de spin să fie manipulaţi într-un material conductor la temperatura camerei. Această metodă nu presupune ingineria izotopică a unui material gazdă, diluarea moleculei purtătoare de spin sau temperaturi criogenice. De asemenea, aceasta asigură o densitate a qubiţilor mai mare decât cea din siliciu.

Costuri reduse

Prin obţinerea uşoară a unui material carbonic, folosind reactivi obişnuiţi de laborator, se elimină multe dintre barierele tehnologice din calea realizării calculatoarelor cuantice.

De exemplu, sistemele de refrigerare necesare pentru răcirea materialelor actuale, până la o temperatură apropiată de zero absolut, pot costa milioane de dolari și ele ocupă un spaţiu de mărimea unor camere mari.

Pentru a construi un computer cuantic trebuie să demonstrăm că qubiţii pot fi manipulaţi prin suprapunerea stărilor cuantice și că putem construi o poartă logică cuantică funcţională (comutator).

Cercetătorii au demonstrat că se confruntă mai mult cu o problemă de inginerie şi mai puţin cu o problemă de ştiinţă. Următorul pas ar fi să se construiască o poartă logică cuantică.

Este interesant faptul că materialul este preparat într-o formă adecvată pentru pregătirea dispozitivelor cuantice. Nanosferele conductoare de carbon pot fi izolate pe o suprafață de siliciu şi se poate obţine o densitate mare a acestora. Există posibilitatea ca această tehnică să fie integrată în tehnologia pe bază de siliciu sau în electronica pe bază de film subțire.

Sursă: The Conversation