Komputer kwantowy z diamentu. Chcą połączyć dwa światy

Większość komputerów kwantowych próbuje rosnąć bardzo podobnie: na jednym procesorze trzeba zmieścić coraz więcej kubitów, kontrolować je i jednocześnie pilnować, żeby nie przeszkadzały sobie nawzajem. Fujitsu proponuje jednak zupełnie inną, ale bardzo ciekawą drogę. Firma zbudowała właśnie działający prototyp oparty na defektach w syntetycznym diamencie, a docelowo chce tworzyć z takich układów mniejsze moduły i łączyć je fotonami. Zamiast jednego gigantycznego procesora może więc powstać coś przypominającego kwantową sieć połączonych ze sobą układów.

Diament kojarzy się nam przede wszystkim z niemal idealnie uporządkowaną siecią atomów węgla. W tym przypadku najważniejsze jest jednak właśnie celowe zepsucie tej struktury.

Fujitsu wykorzystuje tzw. centra SnV, czyli tin-vacancy centers. W kryształ diamentu wprowadza się atom cyny, a obok niego pozostawia dwa puste miejsca w sieci krystalicznej. Powstający defekt ma właściwości kwantowe, które pozwalają wykorzystać spin elektronu jako kubit.

To nie oznacza oczywiście, że cały komputer został wyrzeźbiony z jednego diamentu. Fujitsu wytwarza niezwykle cienkie warstwy materiału z odpowiednimi defektami i integruje je z klasycznie produkowanymi strukturami na chipie. Diamentowa warstwa jest przy tym naprawdę cienka. Badacze opracowali technologię zmniejszania jej grubości z kilkuset mikrometrów do zaledwie kilkuset nanometrów.

W komputerach opartych na spinie diamentowym znacznie częściej wykorzystuje się centra NV, czyli defekty tworzone przez atom azotu i pustkę w sieci krystalicznej. Fujitsu zdecydowało się jednak na cynę.

Centra SnV mają bardziej symetryczną strukturę, dzięki czemu są mniej podatne na niektóre zakłócenia z otoczenia. Firma podaje również, że emitowane przez nie światło może być około 10 razy jaśniejsze niż w przypadku tradycyjnych centrów NV. Ta jasność jest szczególnie istotna, ponieważ światło nie służy tutaj tylko do sprawdzania stanu kubitu. W przyszłości ma stać się przewodem łączącym kilka niezależnych modułów komputera.

W pojedynczym module Fujitsu chce wykorzystywać tak naprawdę dwa rodzaje kubitów. Spin elektronu centrum barwnego może służyć między innymi do komunikacji optycznej, a znajdujące się w pobliżu spiny jąder izotopu węgla-13 do przechowywania i przetwarzania informacji kwantowej. Największa zaleta pojawia się wtedy, gdy takich modułów jest więcej.

Kubity elektronowe mogą zostać splątane za pośrednictwem fotonów nawet wtedy, gdy znajdują się na różnych chipach albo w osobnych układach kriogenicznych. Zamiast fizycznie upychać coraz większą liczbę kubitów obok siebie, można próbować budować wiele mniejszych procesorów pracujących wspólnie.

Podobną pogoń za modułowością widzieliśmy niedawno w chińskim Hanyuan-2, który połączył dwa niezależne rdzenie kwantowe. Fujitsu chce jednak pójść inną drogą i wykorzystać jako łącznik właśnie fotony.

Sam pomysł został już przetestowany, choć jeszcze nie na nowym wielomodułowym komputerze z centrami SnV. W maju naukowcy z QuTech w Delft zademonstrowali operację kwantową pomiędzy dwoma oddzielnymi układami opartymi na centrach NV w diamencie. Każdy znajdował się w osobnym kriostacie, a komunikację zapewniały fotony przesyłane światłowodem.

W jednym węźle elektron pełnił funkcję kubitu komunikacyjnego, a spin jądra węgla-13 przechowywał dane. Splątanie elektronów pozwoliło przeprowadzić operację pomiędzy oddalonymi kubitami danych. Dokładnie to ma pozwolić traktować kilka osobnych urządzeń jak większy system kwantowy.

Nowy prototyp Fujitsu robi kolejny krok, bo centra SnV zostały zintegrowane z fotonicznymi falowodami na chipie, które mają sprawnie wyprowadzać emitowane przez nie pojedyncze fotony.

Diament nie oznacza niestety końca wielkich lodówek. Prototyp pracuje w temperaturze około -271,6 st. C, czyli około 1,55 K powyżej zera absolutnego. Dla człowieka to nadal absurdalnie zimno, ale w świecie komputerów kwantowych różnica jest znacząca. Typowe procesory nadprzewodzące pracują w okolicach 20 mK, czyli około -273,13 st. C.

Polska Odra 5 korzystająca z nadprzewodzących kubitów działa przy około 10 mK. Uzyskanie takich temperatur wymaga rozbudowanej lodówki rozcieńczalnikowej i komplikuje skalowanie całej infrastruktury. 1,55 K nadal wymaga kriogeniki, ale jest temperaturą około 75 razy wyższą w skali bezwzględnej niż 20 mK. To potencjalnie daje więcej swobody przy budowie elektroniki sterującej i rozbudowie systemu.

Fujitsu nie mówi niestety, ile kubitów ma ten komputer. To jedna z najważniejszych informacji, której w komunikacie po prostu brakuje. Firma nazywa urządzenie działającym prototypem komputera kwantowego, pokazuje jego budowę i informuje, że można sterować nim przez Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform.

Przeczytaj także:

Dlatego nie należy zestawiać tej maszyny z procesorami mającymi setki czy tysiące kubitów i wyciągać wniosku, że Fujitsu właśnie zbudowało ich bezpośredniego konkurenta. Obecny sukces dotyczy przede wszystkim architektury: integracji diamentowych centrów SnV, fotoniki oraz systemu sterowania w działający prototyp. Sam producent też podchodzi do sprawy etapami. Dopiero w 2027 r. chce zaprezentować prototyp złożony z wielu modułów diamentowych połączonych optycznie.

Co ciekawe, Fujitsu równolegle rozwija klasyczne komputery kwantowe oparte na kubitach nadprzewodzących i chce sprawdzić możliwość łączenia obu technologii. Diamentowe układy mogłyby wtedy pełnić inną funkcję niż duży procesor nadprzewodzący, a światło pomagałoby spinać różne części systemu. Firma stawia sobie bardzo ambitne cele: 250 logicznych, czyli odpornych na błędy kubitów w roku fiskalnym 2030 i 1000 w 2035 r.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Fujitsu