Novi čip od superčistog silicijuma za proizvodnju moćnih kvantnih kompjutera

Foto: Shutterstock.com

Nova tehnika za dobijanje ultračistog silicijuma stvara savršen materijal za proizvodnju kvantnih kompjutera na veliko i sa visokom preciznošću.

Profesor Dejvid Džejmison sa Univerziteta u Melburnu kaže da novi metod koristi kubite fosfornih atoma ugrađenih u kristale čistog stabilnog silicijuma i da bi mogao prevazići kritičnu barijeru kvantnog računarstva produžavajući trajanje krhke kvantne koherencije, piše Phys.org.

Preporučujemo

„Slaba kvantna koherencija znači da se računarske greške nagomilavaju brzo. Pomoću snažne koherencije koju obezbeđuje naša nova tehnika, kvantni kompjuteri bi za nekoliko sati ili minuta mogli rešiti neke probleme za koje bi konvencionalnim ili ‘klasičnim’ kompjuterima – čak i superkompjuterima – bili potrebni vekovi“, rekao je Džejmison.

Kvantni bitovi ili kubiti – gradivni blokovi kvantnih kompjutera – osetljivi su na sićušne promene u svom okruženju, uključujući temperaturne fluktuacije. Čak i u stabilnim hladnjacima na temperaturi blizu apsolutne nule (-273 stepena Celzijusova), sadašnji kvantni kompjuteri mogu da održe koherenciju bez greške samo tokom malenog dela sekunde.

Profesor Ričard Kari sa Univerziteta u Mančesteru kaže da ultračisti silicijum omogućava konstrukciju visokoefikasnih kubitnih uređaja – bitne komponente na putu do moćnih kvantnih kompjutera.

Velika prednost silicijumskog čipa za kvantno računarstvo je to što koristi iste esencijalne tehnike koje proizvode čipove za današnje kompjutere.

Elektronski čipovi u običnom kompjuteru sastoje se od milijardi tranzistora, koji se takođe mogu koristiti za stvaranje kubita za kvantne uređaje bazirane na silicijumu. Sposobnost stvaranja visokokvalitetnih silicijumskih kubita je bila delimično ograničena čistoćom početnog materijala.

Profesor Džejmison kaže da novi kompjuterski čipovi od visokoprečišćenog silicijuma sadrže i štite kubite tako da mogu održati kvantnu koherenciju mnogo duže, omogućavajući složene kalkulacije sa uveliko smanjenom potrebom za korekcijom grešaka.

„Naš metod otvara put pouzdanim kvantnim kompjuterima koji obećavaju velike promene širom društva, uključujući veštačku inteligenciju, bezbednost podataka i komunikacije, kreiranje vakcina i lekova, upotrebu energije, logistiku i proizvodnju“.

Silicijum – dobijen od peska sa plaža – ključni je materijal za današnju industriju informacione tehnologije zato što je obilan i prilagodljiv poluprovodnik – može funkcionisati kao provodnik ili izolator električne struje, zavisno od toga koji drugi hemijski elementi su mu dodati.

„Drugi eksperimentišu sa alternativama, ali smatramo da je silicijum vodeći kandidat za kvantne kompjuterske čipove koji će obezbediti postojanu koherenciju neophodnu za pouzdane kvantne kalkulacije“, kaže Džejmison.

Problem je to što, iako je prirodno prisutan silicijum uglavnom poželjni izotop silicijum-28, prisutno je i oko 4,5% silicijuma-29. Silicijum-29 ima dodatni neutron u jezgru svakog atoma, koji funkcioniše kao sićušni nestašni magnet, uništavajući kvantnu koherenciju i proizvodeći kompjuterske greške.

Istraživači su usmerili zrak čistog silicijuma-28 velike brzine na silicijumski čip kako bi silicijum-28 postepeno zamenio atome silicijuma-29, smanjujući prisustvo silicijuma-29 sa 4,5% na 0,0002%.

„Nakon purifikacije do ovog nivoa, možemo koristiti standardan uređaj za implantaciju jona sa našom specijalnom konfiguracijom“, kaže Džejmison.

Univerzitet u Melburnu je ranije postavio svetski rekord – još važeći – u pogledu koherencije jednog kubita od 30 sekundi pomoću silicijuma koji je bio manje čist. Trideset sekundi je dovoljno vremena da se obave složene kvantne kalkulacije bez greške.

Najveći postojeći kvantni kompjuteri imaju više od 1.000 kubita, ali se greške događaju na nivou milisekundi zbog gubljenja koherencije.

„Sad kad možemo proizvesti ekstremno čist silicijum-28, sledeći korak je da pokažemo da možemo održati kvantnu koherenciju više kubita istovremeno. Pouzdan kvantni kompjuter sa samo 30 kubita premašio bi snagu današnjih superkompjutera u pogledu nekih primena“, kažu naučnici.

Izveštaj australijske agencije za naučna istraživanja (CSIRO) iz 2020. procenjuje da kvantno računarstvo u Australiji ima potencijal da stvori 10.000 radnih mesta i 2,5 milijardi dolara godišnjeg prihoda do 2040.

„Naše istraživanje nas značajno približava ostvarenju tog potencijala“, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/Phys.org)