Lendületes kutatók mesterséges atomokra építenék a jövő kvantumszámítógépét

A kvantumszámítógépek alapját jelentő kvantumbitek gyakorlati megvalósítása a mai napig hatalmas technológiai kihívás. A BME-n működő Nanoelektronika és Egzotikus Kvantumfázisok Lendület-kutatócsoportok új eredménye szerint az általuk előállított mesterséges atomok használata vezethet el egy iparilag is hatékonyan alkalmazható gyártási eljáráshoz.

A kvantumszámítógépek az utóbbi években robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Bár még nem tartunk ott, hogy az üzletek polcain találkozhatnánk velük, a bennük rejlő potenciál egyre nyilvánvalóbban látszik. Működési elvük lényege, hogy számítási egységük a hagyományos, kétértékű (0 vagy 1) bit helyett a kvantumbit vagy qubit, amely a két érték tetszőleges kombinációját felveheti. Ez a “kicsiny” eltérés a gyakorlatban azt jelenti, hogy már néhány tucat qubites kvantumszámítógépekkel is olyan problémák oldhatók meg másodpercek alatt, amelyekhez a sokmilliárd bites (vagyis néhány gigabájtos) memóriájú hagyományos számítógépeknek évszázadokra lenne szüksége.

A probléma, ahogy az lenni szokott, a technikai részletekben rejlik. Míg a valós bitek milliárdjainak tárolása a mikrocsipekben manapság teljesen rutinfeladat egy gyártó számára, a kvantumbitek gyakorlati megvalósítása még rengeteg nyitott kérdést tartogat. Extrém alacsony hőmérséklet, szupravezetés és számos technológiai bravúr szükséges ahhoz, hogy a dolog működjön, és több potenciális technológia van versenyben a leghatékonyabb megvalósításért. Kevés tudományterületen kerül ilyen közel egymáshoz az alapkutatás és az alkalmazás.

Macska a sötétben
A kutatások egyik fontos célja, hogy a kvantumbiteket minél jobban elszigeteljék a környezeti hatásoktól. Annak, aki ismeri a klasszikus példát: nem szerencsés, ha lyukak vannak Schrödinger macskájának dobozán. A feladat egyik megoldása, ha a körülményeket úgy szabályozzák, hogy a kvantumbitek a lehető legjobban védve legyenek a külső hatásoktól. Részben ez az oka annak, hogy például az IBM kvantumszámítógépe úgy néz ki, mint egy túlméretezett termoszba lógatott báltermi rézcsillár. Azonban az elszigeteltség mellett olykor – amikor az adatokat akarjuk kiolvasni – kívülről kapcsolatba kell lépni a kvantumbitekkel, és különböző elrendezésekben egymáshoz is csatolódniuk kell.

Számos itt felmerülő problémán segít azonban, ha eleve olyan kvantumbiteket alkalmaznak, amelyek kevésbé érzékenyek a környezeti hatásokra. Az elmúlt években a kutatók több olyan kvantumbit-koncepciót ötlöttek ki, amelyek szupravezetők környezetében létrehozott alacsony energiájú állapotokon alapulnak. Ezeknél az az elméleti várakozás, hogy sokkal ellenállóbbak a környezet hatásaival szemben, mint korábbi társaik, ráadásul ötvözik két rivális elgondolás – a spinalapú és a szupravezető-alapú – kvantumbitek előnyeit. Az egyik ilyen, a Yu-Shiba-Rusinov (YSR) állapot, amely egy szupravezető felszínéhez közel helyezett ferromágneses atom körül jön létre. Ez az állapot azonban csak a ferromágneses atom körüli igen kicsiny térrészben alakul ki, és elképesztően precíz, valamint körülményes módszerekre van szükség ahhoz, hogy az egyedi atomokat kellően közel helyezzék egymáshoz. Márpedig ez a közelség létfontosságú a kvantumbitek egymáshoz csatolásához, és így a reménybeli kvantumszámítógép működéséhez.

Alacsonyhőmérsékleti ún. He3-He4 mérőrendszer szerelés közben, amelyben 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.

Végy egy mesterséges atomot…
A BME Nanoelektronika Lendület-kutatócsoport munkatársainak azonban támadt egy ötlete, amely ügyesen megkerüli ezt a problémát: a mesterséges atomok használata. Ahhoz, hogy megértsük, mik is ezek, érdemes egy rövid kitérőt tennünk. Egy atomban a protonokat magában foglaló atommag egy erős pozitív töltésű potenciált hoz létre, ami magához csapdázza a negatív töltésű elektronokat. A nanotechnológiának köszönhetően napjainkban mesterségesen is létre tudunk hozni pozitív csapdázó potenciált, amely képes elektronokat befogni. Az ilyen mesterséges atomok nagy előnye, hogy a becsapdázott elektronok számát a csapda hangolásával lehet változtani. Ez a valódi atomok nyelvén azt jelenti, mintha aranyból platinává vagy higannyá lehetne átkapcsolni egy atomot. Mesterséges atomokat viszonylag elérhető technológiákkal, üzembiztosan létre lehet hozni napjainkban. (Persze egyelőre itt még mindig kutatási környezetről beszélünk, nem iparról.) A magyar kutatók indium-arzenid (InAs) félvezetőből készült, 50-60 nm vastag és néhány mikrométer hosszú nanopálcákat használtak. A nanopálcákhoz fém kapuelektródák csatlakoztak, amelyekkel egy-egy kis térrészben (például egy 50x50x50 nm-es kockán belül) csapdázni tudták az elektronokat, mesterséges atomot létrehozva.

Ezután már nem kellett mást tenni, mint hozzákapcsolni e mesterséges atomokat egy szupravezető elektródához, és megfigyelni, hogy mi történik. A kutatók nagy örömére létrejött az YSR-állapot, amit a szupravezető elektróda áramának mérésével tudtak vizsgálni. A kísérletekből kiderült, hogy ez esetben az YSR-állapot kiterjedése nagyságrendekkel nagyobb – 50–200 nm, vagyis a nanopálcák szélességének mérettartománya – volt, mint a valódi atomok használatánál mért néhány nanométeres érték. Mesterséges atomok létrehozhatók egymástól ilyen távolságra, akár a mai nanotechnológiai eljárásokkal, ipari méretekben is. Ez az eredmény tehát utat nyit mesterséges, egymáshoz csatolt elemeket tartalmazó YSR-láncok elkészítése felé, amelyek új technológiai alapot jelenthetnek a kvantumszámítógépeknek. Az YSR-állapotok váratlanul nagy kiterjedését a kutatóknak a BME-MTA Egzotikus Kvantumfázisok Lendület-kutatócsoporttal együttműködésben sikerült elméletileg is értelmezni.

Az eredményt a Nature Communications közölte, különlegessége, hogy a munka nagy részét a BME lendületes kutatói vitték végig. A kutatás következő lépése, hogy az így létrehozott YSR-állapotok kölcsönhatásait vizsgálják.

Egy szupravezetőhöz (SC) egy mesterséges atomot, ún. kvantumdotot csatolva (QD) a mesterséges atomon és környezetében létrejön a Yu-Shiba-Rusinov állapot (YSR). A szupravezető másik oldalához egy elektródát kapcsolva az ezen átfolyó áram (IT) segítségével lehet a YSR állapotot vizsgálni. A szupravezető 200nm szélessége (Δr) ellenére a YSR állapot megfigyelhető volt a szondával. Az állapot kiterjedése – az elméleti számításokkal összhangban – még növekedett is a külső mágneses tér (B) hatására.

ERC és Lendület a Műegyetemen
A nanoelektronikai kutatócsoportot Csonka Szabolcs alapította 2010-ben. A kutató 2010-ban elnyerte az Európai Kutatási Tanács rangos ERC Starting grantjét, amelyből egy új extrém alacsony hőmérsékeltű mérőlabort épített ki a BME Fizika Tanszékén, valamint meghonosította nanoáramkörök készítésének technikáját az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Műszai Fizikai és Anyagtudományi Intézetével együttműködve. Később, 2017-ben elnyerte a Lendület-ösztödíjat, ekkor alakult meg a BME Nanoelektronika Lendület-kutatócsoport. A csoportnak azóta több, sikeres külföldi, posztdoktori periódus után hazatért, szenior kutató is a tagja, akik új anyagcsaládok vizsgálatával és új kísérleti technikák alkalmazásával bővítették a csoport profilját. A most megjelent cikk az elmúlt 8-10 év munkájának gyümölcse: sikerült a BME/MTA-n létrehozni egy világszinten élvonalbeli kísérleti kutatócsoportot, amely a kutatási tevékenységét itthon tudja végezni egy nagyon kompetitív területen.

A csoport kvantumeffektusokon alapuló áramköröket kutat és hoz létre. Itt olyan áramkörökre kell gondolni, amelyek méretei rendkívül kicsik, akár 20 nm-esek is lehetnek. Ilyen apró áramköröket használnak a jelentős mikrocsipgyártók a számítógépeink, mobiltelefonjaink processzorában. A nagy különbség az, hogy ezeket itthon a BME diákjai tervezik és gyártják le. Ezekhez az eszközökhöz új, alacsonydimenziós anyagokat használnak: 1D félvezető nanopálcákat és 2D van der Waals heteroszerkezeteket, amelyeket a 2Ds rétegekből építenek össze. Ezen anyagrendszerekben alakítanak ki hibrid nanoelektronikai eszközöket szupravezető, ferromágneses vagy egyszerű fémelektródák felhasználásával. Az eszközöket ezután elektromos mérésekkel tanulmányozzák, általában alacsony hőmérsékleten (kevesebb mint 50 mK-nel az abszolút nulla hőmérséklet felett).

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 elektródák a pálcák alatt a mesterséges atomok létrehozására alkalmas kapuelektródák. A piros és zöld völgy a mesterséges atomok létrehozásához szükséges bezáró elektromos potenciált jelöli. (Készítette Fülöp Gergő, BME Fizika Tanszék)

A nanoeszközök a következő témák köré épülnek:

• spintronikai eszközök, ahol a cél, hogy olyan elektronikai eszközöket hozzanak létre, amelyek nem az elektron töltésére, hanem spinjére épülnek;
• elektronkorrelációs effektusok, ahol az elektronok egymás közötti kölcsönhatása hoz létre izgalmas új effektusokat, pl. Kondo effektus, Cooper-pár feltörés;
• szupravezető topologikus állapotok, vagyis olyan ún. védett állapotok, amelyek ellenállnak a különböző környezeti zavaroknak, pl. Majorana fermionok vagy kvantumspin Hall-rendszerek;
• kvantum számítás.

A most bemutatott kutatás két BME-s Lendület-kutatócsoport együttműködése: a nanoelektronikai csoport mellett a méréseket számításokkal segítette a Zaránd Gergely által vezetett Egzotikus Kvantumfázisok Lendület Kutatócsoport. A most megjelent közleményben nemzetközi kutatópartnerek is együttműködtek: a bázeli nanoelektronika csoport és a Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézete. Az együttműködő partnerek ebben a kutatásban a nanopálcák növesztését végezték (Koppenhága), illetve az ő laborjaikban történt a nanoáramkör előállítása (Bázel) BME-s kutatók által. A kísérlet ötlete, a hosszadalmas mérések elvégzése és a jelenségkör megértése, interpretációja a Lendület-kutatócsoportokban született.