Műegyetemi szakemberek újabb nemzetközi sikere a kvantumtudományban

Kvantumeffektuson alapuló áramkörök viselkedéséről és szupravezető nanoszerkezetekben létrejövő lehetséges adattárolási állapotokról a Nature folyóiratban publikáltak a TTK fizikusai.

„A kvantumszámításban és az erre épülő információtárolásban nyithatnak új utat a mostani alapkutatás eredményeiből levont következtetések, amelyek több nemzetközi kutatócsoport együttműködésével, ám a BME fizikusainak szakmai vezetése mellett jöttek létre” – értékeltek a BME Természettudományi Kar (TTK) Fizika Tanszékén működő MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport nevében Csonka Szabolcs és Makk Péter egyetemi docensek. A műegyetemi szakemberek a Bázeli Egyetem nanoelektronika csoportjával, a Koppenhágai Egyetem Neils Bohr Intézettel és a BME TTK-n működő MTA-BME Lendület Egzotikus Fázisok Kutatócsoporttal együttműködve a rangos Nature Communications című lapban publikálták elméletüket.

„Az elmúlt években robbanásszerű fejlődés tapasztalható a kvantumszámítógépek és architektúrák fejlesztése terén, ám a végleges megoldásra egyelőre még várni kell” – ismertették a TTK kutatói. Elmondták, hogy a kvantumbit vagy qubit, a kvantumszámítás alapegysége a klasszikus bit analógja: „míg a klasszikus bitek esetén az információ 0 vagy 1, addig a kvantumbit esetén ezek tetszőleges kombinációja is lehet, amely újfajta számítástechnikai irányvonalat, a kvantumszámítást képviseli. Qubitek révén a klasszikus számítógépekkel ma még megfejthetetlennek tűnő problémák is megoldhatók”. Csonka Szabolcs szerint több különböző alternatív módszer verseng az akadémiai kutatásokban: a műegyetemi fizikusok egy szupravezető-spin qubitek hibrid változatával kísérleteznek. A globális kutatások célja részben annak feltérképezése, hogy a qubitek mennyire tartják meg az információt a környezet zavaró hatásaival szemben. „A mai qubitek ebben kevésbé erősek, ezért olyan rendszereket keresünk, ahol a qubit konstrukció egy belső védettséggel rendelkezik” – hívta fel a figyelmet a BME docense.

Alacsonyhőmérsékleti ún. He3-He4 mérőrendszer szerelés közben, melyben 0.01 fokkal az abszolút 0 fok közelébe lehet áramköröket lehűteni. (-273 Celsius fok) A BME Fizika Tanszékén működő hűtőrendszer hazánk leghidegebb pontja. Ilyen hűtőrendszerekben működnek majd a jövő kvantumszámítógépei.

Makk Péter ismertette, hogy az elmúlt években számos újszerű kvantumbit-koncepció született, amelyek szupravezetők környezetében megjelenő alacsony energiájú állapotokon alapulnak. „Ezek ötvözik a spin-alapú és szupravezető-alapú qubitek előnyeit, és jól ellenállnak a kvantumbitet kitörlő környezeti hatásoknak. Az egyik ilyen koncepció az ún. Yu-Shiba-Rusinov-állapoton (YSR) alapszik, melyeket láncszerűen egymáshoz csatolva robosztus kvantuminformáció-tároló egység hozható létre. E csatolásokat ez idáig csak nagyon precíz módszerekkel lehetett elérni: ferromágneses atomok körül nagyon kicsi a YSR-állapotok kiterjedése, ezért a kölcsönhatás létrehozásához egyedi atomokat szorosan egymás mellé pozícionálnak. A BME TTK Fizika Tanszékén működő MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoportban egy új módszert dolgoztak ki a YSR-állapot előidézésére: 50-60 nm vastag és pár mikrométer hosszú InAs félvezető nanopálcákban létrehozott mesterséges atomot helyeztek a szupravezető felületére. A nanopálcákban külső fém kapuelektródák segítségével fogják be az elektronokat egy 50*50*50 nm-es térrészre. E kis szigetek hasonlítanak a valódi atomokhoz, ezért mesterséges atomoknak is nevezik őket; esetükben kapuelektródákkal egyenként hangolható, változtatható az elektronok száma. A műegyetemi kutatók a mesterséges atomokat szupravezető elektródákhoz kapcsolták és ezzel az eljárással elsőként mérték ki sikeresen a létrehozott YSR-állapot térbeli terjedését. Arra a meglepő következtetésre jutottak, hogy a térbeli kiterjedés 50-200 nanométeresre becsülhető, ami az atomi esetben megfigyelt pár nanométerhez képest lényegesen nagyobb mértékű. „Mivel mesterséges atomok ilyen távolságban létrehozhatók a ma használt chipgyártási eljárásokkal rutin szinten, ezért az új eredmények megnyitják az utat az első mesterséges YSR-láncok előállítása felé, ami a kvantum információtárolás új alapegységévé léphet elő” – árulta el a várakozásokról Makk Péter. „Napjainkban számos kutatócsoport és információtechnológiai világcégek - mint a Microsoft - is hasonló koncepciók fejlesztésén dolgoznak: a lehetőségek olyan kvantumbitek megalkotásához vezethetnek el, ahol a jelenlegi kvantumszámítógép prototípusok legfontosabb hibája kiküszöbölhető: a gépek 'elfelejtik' az információt. E probléma sikeres orvoslása mérföldkövet jelentene a kvantum számítógépek elterjedésében.”

Mesterséges atomok létrehozása nanopálcában. A fekete a nanopálcát jelöli, a középső szürke láb a szupravezető elektródát (S), a két sárga elektróda normál fém elektródákat jelöl (N1, N2), míg a vékony sárga elektrók a pálcák alatt a mesterséges atomok létrehozására alkalmas kapuelektródák. A piros és zöld völgy a mesterséges atomok létrehozásához szükséges bezáró elektromos potenciált jelöli. (Forrás: Fülöp Gergő, BME Fizika Tanszék)

Csonka Szabolcs elárulta, hogy a mostani publikáció a tudományos jelentősége mellett az egész Műegyetem számára presztízsértékű: a kísérlet ötlete, a hosszadalmas mérések elvégzése, a jelenség megértése és interpretációja az intézmény szakembereinek köszönhető. A kutatásban a nanopálcák növesztését Koppenhágában végezték, míg a nanoáramkört a Bázeli Egyetem laborjaiban állították elő ösztöndíjjal kint tartózkodó BME-s kutatók. Az MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport méréseit számolásokkal segítette a Zaránd Gergely (BME TTK, Fizikai Intézet intézetigazgatója, az Elméleti Fizika Tanszék egyetemi tanára) vezette a MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport.

Csonka Szabolcs kiemelkedő szakmai sikernek minősítette a magas impaktfaktorú Nature Communications-ben megjelent publikációjukat. „A mostani eredményeink is igazolják egy csaknem egy évtizedes munka gyümölcsét: ismét sikerült létrehozni a Műegyetemen több témában is világszinten élenjáró kutatócsoportot, amely viszont a tudományos tevékenységét nagyrészt Magyarországon végzi egy nagyon kompetitív területen.” A szakemberek tovább vizsgálódnak: kettő vagy több YSR-állapotból álló rendszerek elemzését végzik majd.

Az akadémiai eredmények mellett a TTK munkatársai fontosnak tartják a következtetések oktatásbeli hasznosulását is: „a kutatáshoz szorosan kapcsolódó kurzusokon a fiatalok megismerhetik a téma alapjait és legújabb fejleményeit. A BME-n néhány éve elindult a nanofizika területén egy mesterképzés, ahol több tantárgy is nanoáramkörökkel, szupravezetéssel és spin qubitekkel foglalkozik, a hallgatók pedig felhőn keresztül programozhatják az IBM kvantumszámítógépét”. Csonka Szabolcs örömét fejezte ki, hogy közülük egyre többeket sikerül bevonni a munkába: a számítások egy részét PhD-hallgatók végezték, emellett alap- és mesterképzéses diákok dolgoznak hasonló profilú laborfeladaton. Mindeközben a kutatók közérthetően számolnak be eredményeikről a pályaválasztás előtt álló középiskolásoknak a Science Campus előadássorozaton egyaránt.

TZS-GI
Bélyegkép forrása: MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport