Przyzwyczailiśmy się już do tego, że przyszłość elektroniki mierzy się nanometrami, liczbą tranzystorów i kolejnymi generacjami procesorów. Im mniejszy stawał się układ, im więcej elementów udało się zmieścić na krzemowej płytce i im szybciej można było przełączać poszczególne bramki, tym układy stawały się lepsze. Komputery kwantowe psują jednak tę prostą opowieść. Tutaj nie wystarczy zbudować mniejszego tranzystora ani dorzucić kilku tysięcy rdzeni. Czasami cały eksperyment przegrywa z czymś tak niepozornym, jak pojedynczy atom niewłaściwego izotopu ukryty wewnątrz materiału.
Komputery kwantowe przegrywają z mikroskopijnym szumem
Amerykański Departament Energii poinformował o uruchomieniu krajowych zdolności do wytwarzania silnie wzbogaconych materiałów krzemowych i germanowych przeznaczonych dla technologii kwantowych. Najważniejszym osiągnięciem jest silan zawierający krzem-28 o czystości 99,9999 procent oraz mniej niż jedną część krzemu-29 na milion. Analogicznie oczyszczany german zawiera poniżej jednej części germanu-73 na milion. Te nowe materiały mają być ponad stukrotnie mniej obciążone niepożądanymi izotopami niż produkty dostępne komercyjnie.
Czytaj też: Komputer kwantowy i silnik zbudowany z kubitu. Tak termodynamika wchodzi do przyszłości obliczeń
Te dodatkowe dziewiątki po przecinku nie są wyłącznie popisem laboratoryjnej precyzji. Przy czystości 99,9999 procent cały niepożądany skład izotopowy schodzi w okolice jednej części na milion. W klasycznym procesorze tak niewielka różnica mogłaby być praktycznie nieistotna, ale w układzie kwantowym potrafi zdecydować o tym, jak długo kubit zachowa informację.
Naturalny krzem składa się przede wszystkim z krzemu-28, ale zawiera także około 4,68 procent krzemu-29. Problem polega na tym, że jądro krzemu-29 ma niezerowy spin jądrowy. Zachowuje się więc trochę jak mikroskopijny magnes, który oddziałuje z elektronami wykorzystywanymi jako kubity spinowe. Pojedyncze zakłócenie jest niemal pomijalne, ale miliardy takich jąder tworzą magnetyczne tło, które stopniowo rozstraja delikatny stan kwantowy.
Właśnie tak powstaje dekoherencja, czyli utrata informacji zapisanej w superpozycji. Kubit nie musi się fizycznie zepsuć. Wystarczy, że zacznie zbyt intensywnie “rozmawiać” ze swoim otoczeniem i przestanie zachowywać się jak kontrolowany układ kwantowy. Przypomina to, że nie walczymy tylko z algorytmem, chłodzeniem czy miniaturyzacją. Walczymy z samym materiałem, który w naturalnej postaci jest zwyczajnie zbyt głośny.
Krzem-28 tworzy dla kubitów atomową ciszę
Krzem-28 nie ma spinu jądrowego, więc nie generuje tego samego rodzaju magnetycznych zakłóceń. Oznacza to, że im więcej krzemu-29 uda się usunąć, tym spokojniejsze środowisko otrzymują kubity spinowe. Badania pokazały już, że ograniczenie zawartości krzemu-29 do około 800 części na milion może wydłużyć czas swobodnej dekoherencji elektronowego kubitu spinowego nawet kilka tysięcy razy w porównaniu z naturalnym krzemem.
Nie oznacza to oczywiście, że wystarczy wyprodukować idealny krzem, aby zbudować komputer kwantowy z milionem bezbłędnych kubitów. Po wyciszeniu jąder krzemu-29 pozostają defekty sieci krystalicznej, szum elektryczny, niedoskonałości interfejsów, zakłócenia aparatury sterującej oraz błędy samych bramek kwantowych. Problem więc nie znika, ale zmienia adres. Jest to jednak zmiana potrzebna, bo dopóki szum izotopowy dominuje nad pozostałymi błędami, dopóty trudno skutecznie badać i poprawiać kolejne elementy układu.
Podobną zależność widać przy innych materiałach kwantowych, gdzie najważniejszym pytaniem przestaje być liczba kubitów, a zaczyna nim być stabilność środowiska, w którym te kubity mają pracować. Pisałem już również o trzech rodzajach zakłóceń zabijających stany kwantowe. Nowy amerykański projekt nie rozwiązuje ich wszystkich, ale przynajmniej jeden z nich próbuje wycinać już na poziomie atomowego budulca.
Technologia z Projektu Manhattan wróciła w znacznie czystszej roli
Najciekawsza część tej historii dotyczy sposobu, w jaki Amerykanie uzyskali tak czyste materiały. Oak Ridge National Laboratory wykorzystuje nowoczesny system elektromagnetycznej separacji izotopów EMIS, a jej korzenie prowadzą do kalutronów opracowanych podczas Projektu Manhattan. W tym przypadku materiał jest jonizowany, a następnie przepuszczany przez pole magnetyczne. Izotopy tego samego pierwiastka mają identyczną liczbę protonów, ale różnią się liczbą neutronów, a więc również masą. Ich tory ruchu zakrzywiają się pod nieco innym kątem, dzięki czemu można je fizycznie rozdzielić.
Czytaj też: USA wskrzesiły pomysł z zimnej wojny. Teraz ma leczyć raka i budować komputery kwantowe
Dzisiejsze sprzęty nie są oczywiście odtworzonymi kalutronami z lat 40. XX wieku. ORNL opracowało oparty na plazmie system, który może oddzielać kilka izotopów danego pierwiastka podczas jednego procesu. Technologia ma być również znacznie bardziej elastyczna i wydajna niż dawne instalacje z okresu zimnej wojny. Stanowi to zresztą rozwinięcie szerszego programu, o którym pisałem niedawno przy wskrzeszeniu amerykańskich zdolności do wzbogacania stabilnych izotopów. Ostatni historyczny kalutron Beta 3 zakończył pracę w 1998 roku, a Stany Zjednoczone stopniowo uzależniały się od zapasów oraz zagranicznych dostawców. Teraz dawna technologia programu atomowego ma wspierać komputery kwantowe, medycynę i produkcję półprzewodników.
Oczywiście sam rozdzielony izotop nie wystarczy do produkcji chipów. Przemysł półprzewodnikowy potrzebuje materiału w konkretnej postaci chemicznej, którą można wykorzystać do nanoszenia niezwykle cienkich warstw na płytki krzemowe. Tutaj do projektu weszło Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Jego zadaniem było przekształcenie wzbogaconego krzemu i germanu w silan oraz german, czyli gazy wykorzystywane jako prekursory podczas osadzania warstw półprzewodnikowych. Laboratorium opracowało systemy konwersji i oczyszczania, które mają zachowywać skład izotopowy materiału podczas kolejnych reakcji chemicznych.
Jest to ważniejsze, niż może się wydawać. Oczyszczony izotop można bowiem stosunkowo łatwo ponownie zanieczyścić podczas transportu, reakcji chemicznej albo przepuszczania przez instalację zawierającą pozostałości zwykłego krzemu. Wtedy cała wcześniejsza separacja traci sens. PNNL pracuje również nad rozwinięciem termodyfuzyjnej separacji izotopów TDIS, która pozwala dodatkowo wzbogacać same gazy. Silan i german są jednak niebezpieczne, a pierwszy z nich może spontanicznie zapalić się w kontakcie z powietrzem. Z tego powodu instalacje zostały wyposażone w automatykę kontrolującą setki parametrów procesu.
Czytaj też: Czym będzie komputer kwantowy? Spytałem o to szefa IBM, który rozwiał mit [WYWIAD]
Oczywiście nie patrzymy jeszcze na gigantyczną fabrykę wysyłającą tony kwantowego krzemu do producentów procesorów. PNNL przyznaje, że bezpieczne i wydajne wzbogacanie silanu oraz germanu metodą TDIS nadal wymaga dalszych badań. Powstał kompletny kierunek produkcji i działające systemy konwersji, ale przemysłowe skalowanie pozostaje kolejnym etapem. Stany Zjednoczone odzyskały więc krajową zdolność wytwarzania oraz przygotowały łańcuch prowadzący od materiału wejściowego do gazu nadającego się do produkcji układów. Jest to przełom infrastrukturalny, ale jeszcze nie kwantowy odpowiednik wielkiej fabryki półprzewodników.
Źródła: Departament Energii USA, Nature, PNNL
