Fujitsu buduje komputer kwantowy z wad w diamencie i chce łączyć go światłem

Wielu producentów komputerów kwantowych idzie tą samą drogą: upycha na pojedynczym procesorze coraz większą liczbę kubitów, próbując jednocześnie utrzymać nad nimi kontrolę i ograniczyć ich wzajemne zakłócanie się. Fujitsu poszło jednak w zupełnie innym kierunku. Koncern zaprezentował działający prototyp maszyny opartej na defektach w sztucznie wytworzonym diamencie i zapowiada, że w przyszłości chce składać z takich niewielkich modułów większą całość, spinając je ze sobą za pomocą fotonów. W miejsce jednego ogromnego procesora mogłaby więc powstać rozproszona, kwantowa sieć wzajemnie połączonych układów.

Kubitem jest defekt w krysztale

Diament najczęściej kojarzy się z niemal doskonale uporządkowaną strukturą atomów węgla. W projekcie Fujitsu kluczowe okazuje się jednak coś przeciwnego – świadome wprowadzenie zaburzenia w tej sieci.

Firma sięga po tzw. centra SnV (tin-vacancy centers). Do struktury krystalicznej diamentu wprowadzany jest atom cyny, a w jego sąsiedztwie tworzone są dwa wolne miejsca w sieci. Powstały w ten sposób defekt zyskuje właściwości kwantowe, dzięki którym spin elektronu może pełnić rolę kubitu.

Nie oznacza to jednak, że cały procesor powstaje z pojedynczego kryształu. Fujitsu produkuje bardzo cienkie warstwy diamentu z odpowiednio wprowadzonymi defektami, a następnie łączy je z elementami wytwarzanymi w tradycyjnej technologii chipowej. Grubość takiej warstwy udało się zredukować z kilkuset mikrometrów do zaledwie kilkuset nanometrów.

Cyna zamiast azotu

W dotychczasowych konstrukcjach opartych na spinie diamentowym dominują centra NV, czyli defekty powstające przy udziale atomu azotu i wolnego miejsca w sieci krystalicznej. Fujitsu postawiło jednak na cynę.

Centra SnV wyróżniają się bardziej symetryczną budową, co ogranicza ich podatność na część zakłóceń pochodzących z otoczenia. Według firmy emitowane przez nie światło może być nawet dziesięciokrotnie jaśniejsze niż w klasycznych centrach NV. Ta cecha ma szczególne znaczenie, bo światło nie służy tu wyłącznie do odczytu stanu kubitu – w przyszłości ma pełnić funkcję łącza spinającego różne moduły komputera.

W pojedynczym module Fujitsu zamierza wykorzystywać dwa typy kubitów jednocześnie. Spin elektronu w centrum barwnym miałby odpowiadać między innymi za komunikację optyczną, a sąsiadujące z nim spiny jąder izotopu węgla-13 – za przechowywanie i przetwarzanie informacji kwantowej. Prawdziwa korzyść z takiego podejścia ujawnia się wtedy, gdy takich modułów jest wiele.

Kubity elektronowe da się splątać za pomocą fotonów nawet wówczas, gdy znajdują się na osobnych chipach lub w różnych układach kriogenicznych. Zamiast fizycznie ściskać coraz większą liczbę kubitów w jednym miejscu, można próbować budować kilka mniejszych procesorów działających wspólnie.

Podobne dążenie do modułowości pojawiło się niedawno w chińskim projekcie Hanyuan-2, gdzie połączono dwa niezależne rdzenie kwantowe. Fujitsu obrało jednak inną ścieżkę, opierając łączność właśnie na fotonach.

Łączność świetlna przestaje być czystą teorią

Koncepcja ta została już sprawdzona w praktyce, choć jeszcze nie na nowym, wielomodułowym komputerze bazującym na centrach SnV. W maju zespół z QuTech w Delft przeprowadził operację kwantową między dwoma odrębnymi układami wykorzystującymi centra NV w diamencie. Każdy z nich znajdował się w osobnym kriostacie, a łączność zapewniały fotony przesyłane światłowodem.

W jednym z węzłów elektron pełnił rolę kubitu komunikacyjnego, natomiast spin jądra węgla-13 przechowywał dane. Splątanie elektronów umożliwiło wykonanie operacji na oddalonych od siebie kubitach danych. To właśnie ten mechanizm ma pozwolić traktować kilka osobnych urządzeń jako jeden, większy system kwantowy.

Nowy prototyp Fujitsu idzie o krok dalej – centra SnV zostały zintegrowane z fotonicznymi falowodami umieszczonymi na chipie, których zadaniem jest sprawne wyprowadzanie pojedynczych fotonów emitowanych przez te defekty.

Chłodzenie bliskie zeru absolutnemu wciąż konieczne

Zastosowanie diamentu nie eliminuje niestety potrzeby rozbudowanych układów chłodzących. Prototyp działa w temperaturze około -271,6 st. C, czyli mniej więcej 1,55 K powyżej zera absolutnego. Dla człowieka to skrajnie niska temperatura, ale w świecie komputerów kwantowych różnica względem konkurencyjnych rozwiązań jest istotna. Typowe procesory nadprzewodzące pracują w okolicach 20 mK, co odpowiada około -273,13 st. C.

Polska maszyna Odra 5, oparta na kubitach nadprzewodzących, działa w temperaturze około 10 mK. Osiągnięcie tak niskich wartości wymaga skomplikowanej lodówki rozcieńczalnikowej i utrudnia rozbudowę całej infrastruktury. Temperatura 1,55 K nadal wymaga kriogeniki, ale w skali bezwzględnej jest około 75 razy wyższa niż 20 mK, co potencjalnie ułatwia projektowanie elektroniki sterującej i dalszą rozbudowę systemu.

Fujitsu nie ujawniło, ile dokładnie kubitów zawiera zaprezentowany komputer – to jedna z kluczowych informacji, której zabrakło w oficjalnym komunikacie. Firma opisuje urządzenie jako działający prototyp komputera kwantowego, prezentuje jego architekturę i informuje, że można nim sterować za pośrednictwem Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform.

Nie warto więc porównywać tej konstrukcji z procesorami dysponującymi setkami czy tysiącami kubitów ani wyciągać wniosku, że Fujitsu stworzyło ich bezpośredniego rywala. Obecne osiągnięcie dotyczy przede wszystkim samej architektury – połączenia diamentowych centrów SnV, fotoniki oraz systemu sterowania w jeden działający układ. Sama firma planuje rozwój etapami: dopiero w 2027 roku ma zostać zaprezentowany prototyp złożony z wielu modułów diamentowych połączonych optycznie.

Co ciekawe, równolegle Fujitsu prowadzi prace nad klasycznymi komputerami kwantowymi opartymi na kubitach nadprzewodzących i zamierza zbadać możliwość połączenia obu technologii. Moduły diamentowe mogłyby wówczas pełnić inną rolę niż duży procesor nadprzewodzący, a światło posłużyłoby do spięcia poszczególnych części systemu w całość. Firma deklaruje bardzo ambitne cele: 250 logicznych, czyli odpornych na błędy kubitów w roku fiskalnym 2030 oraz 1000 takich kubitów w 2035 roku.

Źródło: Spider's Web