Naděje pro kvantové počítače: diamanty jako velmi slibné stavební jednotky

Diamanty jsou možná známé především jako ceněné a krásné drahokamy, nově by však mohly sloužit také jako stavební kameny kvantových počítačů; tedy, alespoň jejich průmyslově vyráběné verze.

Naděje pro kvantové počítače: diamanty jako velmi slibné stavební jednotky


Protože diamanty jsou z hlediska struktury velmi pevné, vědci věří, že by jejich využitím mohli překonat některé z těžkých výzev, jaké stavba stabilního kvantového počítače obnáší.

Potenciál kvantových počítačů je obrovský – jejich přínos zatím nelze ani odhadnout, ale nárůst výkonu, který by přinesly, může zcela změnit způsob, jakým dnes používáme počítače a servery.

Univerzální kvantové počítače jsou však stále desítky let daleko, částečně i díky komplexnosti související s výstavbou takových systémů. Kvantové počítače jsou notoricky nestabilní, už díky samotnému principu fungování; vědci však usilovně pracují na možnostech, jak tuto skutečnost vyřešit.

Výzkumníci ze Státní univerzity v Severní Karolíně (NCSU) vyvinuli systém k výrobě umělých mikroskopických diamantů – tzv. nanodiamantů. Vyrábí je ve specializovaných krystalických strukturách, které mají stabilizovat výpočetní procesy u kvantových počítačů.

Strukturu nanodiamantu, tvořenou atomy uhlíku, pozměnili tak, aby stabilizovali qubity; nepravý diamant tak umožňuje ve stabilním prostředí změnit stav qubitu.

Současné počítače ukládají data ve formě jedniček a nul, zatímco kvantové počítače pracují na principu superpozice, kdy kvantové bity (qubity) mohou být zároveň 1 i 0 a cokoli mezi tím. Právě tento princip by umožnil monstrózní zvýšení výpočetního výkonu strojů.

Qubity jsou však zároveň nestabilní a superpozice těžko udržitelná. Ve chvíli, kdy se začnou spojovat a dochází ke „kvantovému propletenci,“ lze jejich stav jen těžko předvídat, natož ovládat.

Vědci z NCSU však nyní došly k významnému průlomu, kdy by pomocí zmíněných nanodiamantů mohly kvantové počítače operovat ve standardní pokojové teplotě. Technika zároveň vytváří dobré podmínky pro superpozici.

Kvantové počítače (ač velmi omezeně a ne zcela „kvantově“) sice již operují pod taktovkou IBM a D-Wave Systems, musí se však ochlazovat na nízké teploty.

Zatímco čisté diamanty vydolované ze země mají atomy uhlíku stlačené do sebe, vědci zde využili tzv. NV-středu. Upravený nanodiamant má ve svém jádru místo atomu uhlíku jeden atom dusíku, čímž se z něj stává použitelný qubit.

NV-střed samotný může zůstat stabilní i během superpozice, neboť dokáže přecházet mezi jednotlivými stavy při aplikaci laseru nebo elektrického proudu.

Výzkumníci vytvořili upravený NV-střed uměle, pokrytím nanodiamantu substrátem z amorfního uhlíku v nedefinové struktuře a jeho následném „bombardování“ ionty dusíku a izotopem uhlíku 13C.

Celá operace probíhá v 4 000 stupních Kelvina a trvá miliontinu sekundy. Technika redukuje nedokonalosti, které by mohly narušit kvantové výpočetní cykly, popisují vědci.

Nová technika není drahá a umožní významné pokroky v oblasti kvantových počítačů, říká Jay Narayan, profesor na NCSU.

Nyní vědci diskutují s veřejnými i privátními organizacemi o tom, jak by šel výzkum využít přímo k výrobě kvantových počítačů.

Úvodní foto: Martyn Williams, IDG US










Komentáře