Profesor Miloš Nesládek a Dr. Michal Gulka z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT jsou hlavními autory článku „Room-temperature control and electrical readout of individual nitrogen-vacancy nuclear spins", který publikoval 20. července 2021 prestižní britský vědecký časopis Nature Communications. Článek navazuje na předchozí práci česko-belgického týmu zveřejněnou v roce 2019 v americkém časopise Science.
Kvantové počítače reprezentují nové směry vývoje informačních technologií s obrovským počítačovým výkonem. Základem kvantových počítačů jsou tzv. kvantové bity, či „qu-bits", které spolu vzájemně komunikují na principech kvantové mechaniky. Příkladem takových počítačů jsou třeba systémy firmy Google nebo IBM, které dnes čítají více než 72 kvantových bitů. 72 qu-bitů odpovídá 272 kombinačním možnostem reprezentujících počítačový výkon adekvátní desítkám pentaflopů. Pro srovnání, současné klasické super-počítače, nazývané též exascale, mají kapacitu v oblasti stovek pentaflopů.
„Zvyšovaní počtu qu-bitů nad 1000 a více umožní masivní paralelitu a překročení možností klasických superpočítačů. Kvantové bity, jako například supravodivé obvody, pracují při ultra nízkých teplotách blízko absolutní nuly. A to znamená potřebu enormních chladicích výkonů, které limitují konstrukci a mohou značně prodražit budoucí aplikace," říká prof. Miloš Nesládek z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT, který působí současně na belgické Univerzitě v Hasseltu.
Tým odborníků z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT a Univerzity v Hasseltu popsal ve společném článku v časopise Science z roku 2019 nově vyvinutou metodu kvantové detekce aplikované na jednotlivé kvantové bity, realizované v uměle vytvořeném diamantu při pokojové teplotě. „Takové systémy, založené na řešení pevnolátkových materiálů jako je diamant, představují podstatné zjednodušení konstrukce kvantových počítačových procesorů," uvádí Dr. Michal Gulka z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT.
Základem fungování kvantových počítačů je kvantově-mechanický princip provázání, proto je potřeba pro vývoj počítačů na základě diamantu takové provázaní kvantových bitů uskutečnit. Provázání je pak základem pro aplikace kvantových hradel, adekvátních počítačovým klasickým hradlům, tedy logických operací, jako je například „a", „ne", „nebo" a podobně.
V novém článku, publikovaném 20. července v časopise v Nature Communications, česko-belgický tým popisuje takové provázaní a dvou-bitová hradla, jako základní modulární jednotku počítačů, které se podařilo uskutečnit, ve spolupráci s kolegy z univerzit ve Vídni a Budapešti, a to kombinací elektronového a nukleárního spinu, tzv. NV centra v diamantu. Základem práce na těchto hradlech je elektrická detekce spinových stavů v diamantovém kvantovém bitu, publikovaná dříve v časopise Science, která umožňuje interakci kvantových bitů do vzdálenosti desítek nanometrů. Elektrická detekce kvantových stavů má proto perspektivu modulárního rozšiřování a vytvoření funkčních kvantových čipů s více kvantovými bity.
Kromě pro počítače vyvinuté kvantové funkce mohou tyto diamantové čipy sloužit také jako ultracitlivé detektory magneticích polí, například jako detektory pro nukleární magnetickou resonanci, na kterou je navázán aktuálně řešený projekt Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT podpořený GAČR.
Odkaz na článek najdete zde: https://www.nature.com/articles/s41467-021-24494-x.
Mgr. Andrea Vondráková