Műegyetemi szakemberek újabb nemzetközi sikere a kvantumtudományban

Kvantumeffektuson alapuló áramkörök viselkedéséről és szupravezető nanoszerkezetekben létrejövő lehetséges adattárolási állapotokról a Nature folyóiratban publikáltak a TTK fizikusai.

„A kvantumszámításban és az erre épülő információtárolásban nyithatnak új utat a mostani alapkutatás eredményeiből levont következtetések, amelyek több nemzetközi kutatócsoport együttműködésével, ám a BME fizikusainak szakmai vezetése mellett jöttek létre” – értékeltek a BME Természettudományi Kar (TTK) Fizika Tanszékén működő MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport nevében Csonka Szabolcs és Makk Péter egyetemi docensek. A műegyetemi szakemberek a Bázeli Egyetem nanoelektronika csoportjával, a Koppenhágai Egyetem Neils Bohr Intézettel és a BME TTK-n működő MTA-BME Lendület Egzotikus Fázisok Kutatócsoporttal együttműködve a rangos Nature Communications című lapban publikálták elméletüket.

A kvantumelektronika kutatócsoportot Csonka Szabolcs, a BME TTK Fizikai Intézet Fizika Tanszékének egyetemi docense alapította 2010-ben. A munka részeként az Európai Kutatási Tanács (ERC, European Research Council) „ERC Starting” pályázatának nyerteseként létrehozott egy extrém alacsony hőmérsékletű mérőlabort, és az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetével együttműködve meghonosította a nanoáramkörök létrehozásának technikáját. 2017-ben kutatócsoport csatlakozott az MTA Lendület programjához, amelybe több sikeres, post doc periódus után hazatérő, új anyagcsaládok vizsgálatával és kísérleti technikák alkalmazásával foglalkozó szenior szakember is bekapcsolódott.

A csoport kvantumeffektusokon alapuló áramköröket (akár 20 nanométeres méretben) vizsgál és alkot meg. Ilyen apró áramköröket használnak a nagy chipgyártók a számítógépek vagy mobiltelefonok processzoraihoz. A műegyetemi kutatócsoport eljárásában új, alacsony dimenziós anyagokat alkalmaz: egy dimenziós félvezető nanopálcákat és két dimenziós van der Waals heteroszerkezeteket, amelyeket atomi rétegekből építenek össze. Ezen anyagrendszerekben hibrid nanoelektronikai eszközöket szupravezető, ferromágneses vagy normál elektródák felhasználásával hoznak létre.

A nanoeszközökkel összefüggésben több témát is vizsgálnak: a spintronikai eszközöket (a cél olyan elektronikai eszközök létrehozása, amelyek nem az elektron töltésére, hanem spinjére épülnek), elektron korrelációs effektusokat (itt az elektronok egymás közötti kölcsönhatása hoz létre új effektusokat, pl. Kondo-effektus, Cooper pár feltörés stb.), kvantumszámításokat és a szupravezető topológikus állapotokat (ezek olyan védett állapotok, amelyek ellenállnak a különböző környezeti zavaroknak, pl. Majorana fermionok vagy kvantum spin Hall rendszerek). A szakértők most megjelent publikációja e témák együttesével foglalkozik: a szupravezető topológikus állapotok, kvantumszámítások és elektron korrelációs effektusok jelenségeivel.

„Az elmúlt években robbanásszerű fejlődés tapasztalható a kvantumszámítógépek és architektúrák fejlesztése terén, ám a végleges megoldásra egyelőre még várni kell” – ismertették a TTK kutatói. Elmondták, hogy a kvantumbit vagy qubit, a kvantumszámítás alapegysége a klasszikus bit analógja: „míg a klasszikus bitek esetén az információ 0 vagy 1, addig a kvantumbit esetén ezek tetszőleges kombinációja is lehet, amely újfajta számítástechnikai irányvonalat, a kvantumszámítást képviseli. Qubitek révén a klasszikus számítógépekkel ma még megfejthetetlennek tűnő problémák is megoldhatók”. Csonka Szabolcs szerint több különböző alternatív módszer verseng az akadémiai kutatásokban: a műegyetemi fizikusok egy szupravezető-spin qubitek hibrid változatával kísérleteznek. A globális kutatások célja részben annak feltérképezése, hogy a qubitek mennyire tartják meg az információt a környezet zavaró hatásaival szemben. „A mai qubitek ebben kevésbé erősek, ezért olyan rendszereket keresünk, ahol a qubit konstrukció egy belső védettséggel rendelkezik” – hívta fel a figyelmet a BME docense.

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

Makk Péter ismertette, hogy az elmúlt években számos újszerű kvantumbit-koncepció született, amelyek szupravezetők környezetében megjelenő alacsony energiájú állapotokon alapulnak. „Ezek ötvözik a spin-alapú és szupravezető-alapú qubitek előnyeit, és jól ellenállnak a kvantumbitet kitörlő környezeti hatásoknak. Az egyik ilyen koncepció az ún. Yu-Shiba-Rusinov-állapoton (YSR) alapszik, melyeket láncszerűen egymáshoz csatolva robosztus kvantuminformáció-tároló egység hozható létre. E csatolásokat ez idáig csak nagyon precíz módszerekkel lehetett elérni: ferromágneses atomok körül nagyon kicsi a YSR-állapotok kiterjedése, ezért a kölcsönhatás létrehozásához egyedi atomokat szorosan egymás mellé pozícionálnak. A BME TTK Fizika Tanszékén működő MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoportban egy új módszert dolgoztak ki a YSR-állapot előidézésére: 50-60 nm vastag és pár mikrométer hosszú InAs félvezető nanopálcákban létrehozott mesterséges atomot helyeztek a szupravezető felületére. A nanopálcákban külső fém kapuelektródák segítségével fogják be az elektronokat egy 50*50*50 nm-es térrészre. E kis szigetek hasonlítanak a valódi atomokhoz, ezért mesterséges atomoknak is nevezik őket; esetükben kapuelektródákkal egyenként hangolható, változtatható az elektronok száma. A műegyetemi kutatók a mesterséges atomokat szupravezető elektródákhoz kapcsolták és ezzel az eljárással elsőként mérték ki sikeresen a létrehozott YSR-állapot térbeli terjedését. Arra a meglepő következtetésre jutottak, hogy a térbeli kiterjedés 50-200 nanométeresre becsülhető, ami az atomi esetben megfigyelt pár nanométerhez képest lényegesen nagyobb mértékű. „Mivel mesterséges atomok ilyen távolságban létrehozhatók a ma használt chipgyártási eljárásokkal rutin szinten, ezért az új eredmények megnyitják az utat az első mesterséges YSR-láncok előállítása felé, ami a kvantum információtárolás új alapegységévé léphet elő” – árulta el a várakozásokról Makk Péter. „Napjainkban számos kutatócsoport és információtechnológiai világcégek - mint a Microsoft - is hasonló koncepciók fejlesztésén dolgoznak: a lehetőségek olyan kvantumbitek megalkotásához vezethetnek el, ahol a jelenlegi kvantumszámítógép prototípusok legfontosabb hibája kiküszöbölhető: a gépek 'elfelejtik' az információt. E probléma sikeres orvoslása mérföldkövet jelentene a kvantum számítógépek elterjedésében.”

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

Csonka Szabolcs elárulta, hogy a mostani publikáció a tudományos jelentősége mellett az egész Műegyetem számára presztízsértékű: a kísérlet ötlete, a hosszadalmas mérések elvégzése, a jelenség megértése és interpretációja az intézmény szakembereinek köszönhető. A kutatásban a nanopálcák növesztését Koppenhágában végezték, míg a nanoáramkört a Bázeli Egyetem laborjaiban állították elő ösztöndíjjal kint tartózkodó BME-s kutatók. Az MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport méréseit számolásokkal segítette a Zaránd Gergely (BME TTK, Fizikai Intézet intézetigazgatója, az Elméleti Fizika Tanszék egyetemi tanára) vezette a MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport.

Csonka Szabolcs kiemelkedő szakmai sikernek minősítette a magas impaktfaktorú Nature Communications-ben megjelent publikációjukat. „A mostani eredményeink is igazolják egy csaknem egy évtizedes munka gyümölcsét: ismét sikerült létrehozni a Műegyetemen több témában is világszinten élenjáró kutatócsoportot, amely viszont a tudományos tevékenységét nagyrészt Magyarországon végzi egy nagyon kompetitív területen.” A szakemberek tovább vizsgálódnak: kettő vagy több YSR-állapotból álló rendszerek elemzését végzik majd.

Az akadémiai eredmények mellett a TTK munkatársai fontosnak tartják a következtetések oktatásbeli hasznosulását is: „a kutatáshoz szorosan kapcsolódó kurzusokon a fiatalok megismerhetik a téma alapjait és legújabb fejleményeit. A BME-n néhány éve elindult a nanofizika területén egy mesterképzés, ahol több tantárgy is nanoáramkörökkel, szupravezetéssel és spin qubitekkel foglalkozik, a hallgatók pedig felhőn keresztül programozhatják az IBM kvantumszámítógépét”. Csonka Szabolcs örömét fejezte ki, hogy közülük egyre többeket sikerül bevonni a munkába: a számítások egy részét PhD-hallgatók végezték, emellett alap- és mesterképzéses diákok dolgoznak hasonló profilú laborfeladaton. Mindeközben a kutatók közérthetően számolnak be eredményeikről a pályaválasztás előtt álló középiskolásoknak a Science Campus előadássorozaton egyaránt.

TZS-GI
Bélyegkép forrása: MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoport