Naukowcy opracowali nowy nadprzewodnik na bazie germanu – materiału już szeroko stosowanego w przemyśle komputerowym, który potencjalnie może zapoczątkować znaczący postęp w technologii komputerów kwantowych. To przełomowe rozwiązanie rozwiązuje kluczowy problem obliczeń kwantowych: zapotrzebowanie na materiały, które są zarówno nadprzewodzące, jak i można je bezproblemowo zintegrować z istniejącymi procesami produkcji chipów.
Czym jest nadprzewodnictwo i dlaczego jest ważne?
Nadprzewodniki to materiały, które mogą przewodzić prąd elektryczny przy zerowym oporze. Ta właściwość jest niezwykle cenna dla każdego urządzenia elektrycznego, ponieważ eliminuje straty energii na skutek ciepła. Nadprzewodniki, szczególnie ważne w obliczeniach kwantowych, obsługują również spójność kwantową, zjawisko niezbędne do manipulowania i przechowywania informacji kwantowej.
Problem integracji nadprzewodników w technologii komputerowej
Poprzednie nadprzewodniki, choć skuteczne, często były wykonane z nietypowych i trudnych w obróbce materiałów. Stworzyło to znaczącą przeszkodę w włączeniu ich do praktycznych urządzeń komputerowych, zwłaszcza komputerów kwantowych, które wymagają skomplikowanych obwodów.
Nowe podejście: german domieszkowany galem
Peter Jacobson z Uniwersytetu w Queensland (Australia) i jego zespół stworzyli nadprzewodnik germanowy, wprowadzając gal do materiału w procesie zwanym dopingiem. W przeciwieństwie do poprzednich prób stosowania podobnych kombinacji, które okazały się niestabilne, zespół Jacobsona wykorzystał napromieniowanie rentgenowskie, aby wymusić bardziej równomierne rozmieszczenie galu w warstwie germanu. Doprowadziło to do powstania stabilnych, ustrukturyzowanych form.
Wymagania dotyczące bardzo niskich temperatur i krajobraz obliczeń kwantowych
Należy zauważyć, że ten nowy nadprzewodnik, podobnie jak istniejące, nie działa w temperaturze pokojowej. Do działania wymaga wyjątkowo niskich temperatur – konkretnie 3,5 Kelvina (-270°C/-453°F). Chociaż wyklucza to jego zastosowanie w popularnych urządzeniach konsumenckich, David Cardwell z Uniwersytetu w Cambridge sugeruje, że jest to idealne rozwiązanie do obliczeń kwantowych, które już wymagają bardzo niskich temperatur.
„Może to zrewolucjonizować technologię kwantową” – mówi Cardwell. „Zapewnia zupełnie nowy poziom funkcjonalności, ponieważ masz już bardzo zimne środowisko”. To byłby, jak sądzę, oczywisty punkt wyjścia.”
Pokonanie problemu defektów struktury kryształu
Dotychczasowe próby łączenia nadprzewodników z półprzewodnikami (kluczowymi elementami urządzeń obliczeniowych) kończyły się defektami w strukturze kryształu, co stanowi poważną przeszkodę w praktycznych zastosowaniach. Defekty te prowadzą do absorpcji sygnału i zakłócają precyzyjne operacje kwantowe.
„Zaburzenie jest w rzeczywistości efektem pasożytniczym w technologiach kwantowych” – wyjaśnia Jacobson. „To powoduje, że twoje sygnały są absorbowane”.
Jednolita struktura kryształu zwiększająca funkcjonalność
Nowy nadprzewodnik domieszkowany galem rozwiązuje ten problem, umożliwiając warstwom tego materiału i warstwom krzemu (innego powszechnego półprzewodnika) osadzone bezpośrednio jedna na drugiej bez zakłócania struktury kryształu. Toruje drogę do produkcji zintegrowanych chipów, które wykorzystują unikalne zalety zarówno półprzewodników, jak i nadprzewodników. Te połączone chipy mogą potencjalnie znacząco poprawić wydajność i niezawodność komputerów kwantowych.
Podsumowując, stworzenie stabilnego, łatwego w produkcji nadprzewodnika germanowego stanowi znaczący krok naprzód w obliczeniach kwantowych. Rozwiązując wyzwania związane z integracją materiałów i defektami struktury kryształu, ta innowacja otwiera drzwi do wydajniejszych i niezawodnych technologii kwantowych.
