Revista >> Martie 2020 [Nr. 222] >> IT&C

Quo vadis Quantum Computing?

Mircea Badut

19 Martie 2020

Tentative de exemplificare
• Capcanele de ioni – fiind dispozitive ce captează şi exploatează atomi/molecule cu sarcină electrică negativă sau pozitivă – folosesc o combinaţie de câmpuri electrice/magnetice pentru a menţine entitatea cuantică în izolare. Actualmente capcanele de ioni se pretează ca memorii cuantice, putând menţine coerenţa/starea qubiţilor până la 10 minute. Interfaţarea (pentru citirea stării) se poate face optic, cu camere emCCD (electron-multiplying CCD) capabile să detecteze fotonii emişi de ioni, sau prin senzori de prezenţă în câmpul electromagnetic.

• Atomii reci sunt materializări ale stării materiale numite „condensat Bose-Einstein“ (BEC), constând dintr-o suspensie gazoasă de bozoni, răcită la o temperatură aproape de zero absolut (-273° C). Atomii BEC se află într-o stare de coerenţă cuantică înaltă, astfel că între ei funcţionează conexiunile de tip entanglement, ce pot fi exploatate prin algoritmi specifici calculului cuantic. De asemenea, mişcarea, forma şi forţele dintre atomii reci sunt controlabile prin metode/abordări specifice. Citirea stărilor de qubiţi se poate face prin observare optică (folosind dispersie laser, detecţie fluorescentă, imagini de absorbţie, imagini de contrast al fazei luminii, etc).

• Fotonii singulari pot funcţiona ca particule cuantice, constituind deci qubiţi într-un sistem de calcul. De notat că un acelaşi foton ar putea oferi mai multe stări angajabile: polarizarea, frecvenţa (lungimea de undă a lumini); timpul/durata; locaţia/prezenţa. Desigur, detectarea precisă a fononilor singulari necesită instrumente extrem de sensibile, folosind senzori CCD, ICCD, EMCCD, emICCD, sCMOS. De exemplu, o cameră cu senzor ICCD poate determina, prin abilitatea de contorizare a fotonilor, stările de întuneric, iluminare şi de superpoziţie.

• Centrele de azot-vacant din diamant pot constitui o soluţie aparte şi foarte concretă de materializare a nucleelor de calcul cuantic. Un gol de azot este un defect în structura diamantului (obţinut prin substituirea unui atom de azot) şi oferă posibilitatea de a fi controlat prin câmp electromagnetic la temperatura camerei. Iniţializarea stării cuantice şi citirea rezultatului se pot face prin metode optice.

• Quantum dots. Adică mici particule de material semiconductor (cu diametre de 2-10 nm, cumulând 10-50 atomi). De exemplu, nanocristalele din sulfură de plumb (PbS) sau din arseniură de indiu (InAs) pot emite în domeniul SWIR (infra-roşu cu unde scurte).

• Nanotuburile de carbon, pe lângă multe alte întrebuinţări derivate din proprietăţile deosebite ale grafenului, dovedesc potenţial şi pentru calcul cuantic sau criptare cuantică, pe bază optică (SWIR; emisie de fotoni singulari).

Convergenţa tăcută
Actualmente, foaia de siliciu pe care se materializează tranzistoarele de comutaţie din alcătuirea microprocesoarelor electronice are grosimea de 7-14 nanometri, ceea ce (privind în urmă) este foarte puţin. Există temerea că la următoarea scadenţă (3-5nm), dimensiunile tranzistoarelor vor fi atât de mici încât procesele electrice (şi respectiv logice) vor deveni instabile, şi deja se experimentează materiale mai potrivite decât siliciul (precum InGaAs). De ce devin instabile? Tocmai pentru că miniaturizarea face ca fenomenele electrice să se combine nedorit cu cele specifice mecanicii cuantice. (Cumva similar cazului NEMS/MEMS - sisteme electro-mecanice nano/micro-scopice, de care avem şi prin smartphone - unde forţele atomice/microscopice perturbă sau chiar surclasează forţele mecanicii clasice.) Aşa încât nu ar fi de mirare dacă dinspre elita producătorilor de cipuri (AMD, Intel, Samsung, ş.a.) vor fi emise în mod firesc soluţii concrete care să lucreze de fapt la limita dintre electric şi cuantic. Aşa cum sunt şi tehnologiile promise pentru hard-disk-urile viitorului apropiat (HAMR, MAMR, TDMR, HDMR, BPMR, CPP/GMR, TAS, STT). De asemenea, şi pentru SSD-uri se prevede o fuziune între electric şi cuantic.

Astfel că, pentru calculatorul electronic este cumva realistă previziunea de a deveni cuantic fără să mai aştepte ivirea acelui holy-grail închegat de la zero în creuzetul cercetărilor de quantum computing. Adică să păstreze simplu ştafeta.