Spinski kubiti delujejo nad enim kelvinom

Skupini avstralskih in nizozemskih raziskovalcev sta demonstrirali delovanje silicijevih spinskih kubitov nad temperaturo enega kelvina, kar bi teoretično omogočilo izvedbo kvantnih računalnikov brez dragega in zapletenega dilucijskega hlajenja. To pomembno utrjuje položaj tega pristopa v kvantnem računalništvu nasproti superprevodnim zankam in ujetim ionom.

Današnji prototipi kvantnih računalnikov imajo stereotipno podobo visečega grozdja zlatih žičk. Takšen videz napravam pravzaprav narekuje dilucijski hladilnik, s katerim je treba kubite, njihove osnovne računske elemente, ohladiti na temperature pod desetinko kelvina, se pravi pod -273 stopinj Celzija. Ker krmilna silicijeva elektronika ne mara takšnega hladu, mora biti nameščena izven jedra naprave in s kubiti povezana z natanko tistimi žičkami, ki polnijo fotografije. Ne le, da to občutno poveča kompleksnost in ceno strojev, temveč vsaka povezava pomeni tudi potencialno pot za vdor motenj, ki lahko pokvarijo izračune. Zato so znanstveniki in inženirji nenehno zakopani v iskanje pristopov, ki bi omogočili delovanje pri višjih temperaturah, oziroma kako drugače odstranili potrebo po stotisoče evrov vrednem hlajenju. Tako smo lahko v zadnjih letih videli vse od zelo majhnih "nanozamrzovalnikov" do hlajenja ujetih ionov z laserji; se pravi pristope, ki bi zahtevali radikalno hlajenje le zelo majhnih predelov naprav.

Druga opcija, ki so jo v dveh vzporednih objavah v reviji Nature včeraj razgrnili avstralski in nizozemski raziskovalci, pa stavi na zasnovo kubitov, ki delujejo pri višjih temperaturah, med enim in dvema kelvinoma. Gre za spinske kubite, ki jih sestavljajo kvantne pike, zgrajene iz nekaj elektronov, ujetih v potencialni jami iz polprevodniškega silicija. Informacijo predstavljajo spini elektronov, branje in pisanje pa se vrši skozi spremembe električnega ali magnetnega polja (odvisno od pristopa). To pomeni, da bi bilo teoretično takšne sisteme mogoče napraviti s poznanimi litografskimi proizvodnimi procesi in bi lahko vsebovali tudi večino krmilne elektronike, za katero temperature nad enim kelvinom ne pomenijo več problema. Z drugimi besedami, takšni računalniki ne bi več potrebovali dilucijskih hladilnikov. Je pa njihov razvoj še v zelo zgodnji fazi. Avstralski strokovnjaki z Univerze New South Wales so prikazali delovanje enega kubita pri poldrugem kelvinu, medtem ko so njihovi kolegi z Univerze za tehnologijo v Delftu demonstrirali delovanje dveh prepletenih kubitov, oziroma preprostih kvantnih logičnih vrat, pri 1,1 kelvina. Bistveno povečanje števila kubitov, ki je nujno za kakršnekoli praktične izračune, jih tako še čaka, malo pa bode v oči tudi kratek čas trajanja koherence sistema, ki znaša le nekaj mikrosekund, oziroma več desetkrat manj kot pri konkurenčnih zasnovah.

Vendarle pa dosežek pomeni, da polprevodniški spinski kubiti hitro pridobivajo na veljavi in so s tem bržkone postali tretja poglavitna paradigma v zasnovah kvantnih računalnikov. Če na kratko ponovimo: Google in IBM, pa tudi D-Wave in Rigetti, stavijo prvinsko na naprave s kubiti v obliki superprevodnih zank, ki trenutno beležijo največ doseženih uporabnih kubitov, a zahtevajo uvodoma omenjeno drastično hlajenje. Honeywell in IonQ prisegata na ujete ione, Microsoft se igračka s topološkimi kubiti, medtem ko se silicijevi spinski kubiti zdaj konkretno prebijajo iz laboratorijev v industrijo. Je pa pomenljivo, da je kot eden od soavtorjev nizozemskega članka naveden tudi Jim Clarke, šef Intelovega oddelka za kvantno računalništvo, ki je ob robu objave povedal, da se velikan hitro preusmerja od superprevodnih zank proti spinskim kubitom.