Slovenski laboratorij v sodelovanju z Googlom razvija tehnologijo za nove stabilnejše kvantne čipe

V letu 2025 praznujemo 100 let od oblikovanja prvih zakonov kvantne mehanike. Organizacija združenih narodov (OZN) je zato letošnje leto razglasila za mednarodno leto kvantne znanosti in tehnologije. V duhu obletnice bomo v ponedeljek zaznamovali tudi svetovni kvantni dan, ki je namenjen spodbujanju razumevanja kvantne znanosti v širši javnosti. Kvantna znanost je eno od izstopajočih znanstvenoraziskovalnih področij tudi v Sloveniji. Med raziskovalci, ki se ukvarjajo s to hitro razvijajočo se vejo znanosti, so tudi znanstveniki z Instituta Jožef Stefan (IJS).

Tamkajšnji Nanocenter pod vodstvom Dragana Mihailovića na tem področju tesno sodeluje z laboratorijem Google Quantum AI Lab. V ospredju skupnega dela je razvoj novih vrst kvantnih bitov oz. kubitov in iskanje materialov, ki bi omogočili izdelavo bolj stabilnih kvantnih čipov - osnovnih gradnikov prihodnjih kvantnih računalnikov.

Kot je za STA pojasnil Mihailović, današnji procesorji, tudi tisti v naših pametnih telefonih, delujejo s klasičnimi biti, ki so lahko v stanju 0 ali 1. Z njimi izvajamo računske operacije zaporedno, en bit za drugim. Kvantni računalniki pa uporabljajo kubite, ki lahko hkrati obstajajo v več stanjih in so med seboj kvantno prepleteni.

"Namesto zaporedne obdelave omogočajo vzporedno obdelavo ogromne količine podatkov in reševanje izjemno kompleksnih nalog, ki jih klasični računalniki ne morejo opraviti ali pa bi zanje potrebovali preveč časa," je povedal.

Izziv predstavlja občutljivost kubitov na vplive iz okolja

Kot je pojasnil podoktorski raziskovalec v Nanocentru Anže Mraz, razvoj kvantnih računalnikov sicer spremlja velik izziv, in sicer občutljivost kubitov. Tudi najmanjši zunanji vpliv lahko namreč poruši njihovo stanje in s tem natančnost izračuna. "V laboratoriju se zato osredotočamo na stabilnost kubitov oz. njihovo koherenco, torej sposobnost ohranjanja kvantnega stanja skozi daljše časovno obdobje," je dejal.

Ključni material, s katerim trenutno delajo, je plastovita spojina, imenovana tantal disulfid. "Ta snov je že dolgo zanimiva za temeljne raziskave. Njegova prednost je, da ga lahko nanesemo v zelo tanke sloje, kar je ključno za izdelavo kvantih čipov," je pojasnil Mihailović.

Prav v njihovem laboratoriju so med prvimi na svetu uspeli razviti tanke sloje tega materiala. "Ta material ima redko lastnost. Omogoča, da z zunanjim električnim impulzom vplivamo na elektrone in v materialu ustvarimo nova elektronska stanja, jih beremo in brišemo, kar je eden ključnih korakov k uporabni kvantni elektroniki. Ta proces si lahko predstavljate kot sestavljanje mozaika," je dodal.

Trenutni postopki izdelave kvantnih čipov po svetu so po besedah Mihailovića sicer še vedno precej tradicionalni in izvirajo iz časov, ko stabilnost oz. koherenca še ni bila tako kritična lastnost, zato je v postopkih še ogromno prostora za izboljšave.

Decembra lani je sicer Google objavil raziskavo, v kateri so predstavili svoj nov kvantni čip z imenom Willow. V raziskavi so pokazali, da lahko s posebno zasnovo povezav med kubiti in uporabo algoritma za popravljanje napak ohranijo kvantno informacijo bistveno dlje kot prej, s čimer so dosegli pomemben korak na področju stabilnosti kvantnih čipov in s tem uporabnosti kvantnih računalnikov.

Kvantni računalniki so, kot je dejal, že danes sposobni preseči klasične pri nekaterih specifičnih nalogah, a te za zdaj še nimajo neposredne uporabne vrednosti. Kljub temu napredek nakazuje širok spekter prihodnjih možnosti.

Najbolj obetavne uporabne aplikacije se po besedah Mihailovića kažejo v farmaciji, kjer bi kvantni računalniki lahko bistveno pohitrili in pocenili razvoj novih zdravil. V prihodnosti bi lahko močno izboljšali delovanje transportnih in logističnih sistemov, varnejšo komunikacijo, med možnimi prihodnjimi uporabami pa so še razvoj boljših baterij, iskanje novih materialov in marsikaj, česar si danes še ne predstavljamo.

Za preboje v kvantnem svetu potrebne močne povezave v tujini in doma

Sodelovanje slovenskih raziskovalcev z Googlovimi je po besedah Mihailovića izredno dinamično. "Čeprav smo fizično daleč, je komunikacija tekoča in pogosta. Rezultati dela so objavljeni v prestižnih znanstvenih revijah. Tako imamo občutek, da smo vsak dan v stiku z velikim, mednarodno povezanim raziskovalnim okoljem, kar je posebej dragoceno za mlade raziskovalce," je poudaril. "Pomembno je, da smo vpeti v okolje, kjer se neprestano nekaj dogaja in imamo vpogled v najnovejše izzive in usmeritve v kvantni znanosti," je dodal.

Kot veliko priložnost Mihailović vidi tudi v povezovanju z domačo industrijo. Pri razvoju posebnih naprav, ki jih potrebujejo za izdelavo prototipnih čipov, v Nanocenetru sodelujejo s številnimi slovenskimi podjetji. A Mihailović meni, da je priložnosti za sodelovanje še več. "Pogosto se zgodi, da nekdo nekaj zelo uporabnega že razvija, pa za to enostavno ne vemo. Slovenska raziskovalna in industrijska sfera sta še vedno premalo povezani," je izpostavil.

Nanocenter je sicer trenutno v postopku pridružitve v Srednjeevropski konzorcij raziskovalnih infrastruktur (Ceric). Konzorcij povezuje vrhunske raziskovalne infrastrukture po Evropi, raziskovalcem iz Evrope in širše pa zagotavlja dostop do raziskovalne opreme in ekspertize na področju materialov, biomaterialov in nanotehnologije.

"Smo edini infrastrukturni center v Sloveniji, ki že omogoča odprt dostop do vrhunske raziskovalne opreme tudi zunanjim uporabnikom. Priključitev Cericu pa bo Sloveniji odprla vrata do novih partnerstev, priložnosti za mednarodno sodelovanje in znanstveni napredek," je dejal.