Bide kuantiko berri bat

IBM International Business Machines Corporation AEBetako multinazionalak 127 qubiteko Eagle prozesadorea aurkeztu du aste honetan. Qubitak bit kuantikoak dira. IBMk 443 qubitera iritsi nahi du 2022an, eta mila qubiten langa gainditu 2023an. Eagle prozesadore kuantikoaren ahalmena irudikatzeko, IBMk esan du prozesadore arrunten bidez 127 qubit horien egoera kuantikoa azaldu nahi izanez gero munduan bizi diren pertsona guztien atomo kopurua baino bit gehiago beharko liratekeela. Izugarria.

Konputazio kuantikoak garatzen jarraitzen du. Prozesadore kuantikoei buruzko albisteak kaleratzen dira tarteka, IBMrenak, Googlerenak edo Txinako Zientzia eta Teknologia Unibertsitatearenak. Txinak sekulako apustua egin du konputazio kuantikoa garatzeko.

Ez dute izaten halako albisteen oihartzunik, baina konputazio kuantikoari buruzko oinarrizko ikerketa asko egiten ari da. Baita Euskal Herrian ere.

David Jacob fisikari teoriko alemaniarrak, esaterako, urrian Nature-n argitaratu den ikerketa batean parte hartu du. Ikerbasqueko ikertzailea da Jacob, EHUko Kimika fakultatean. Polimero eta Material Aurreratuak: Fisika Kimika eta Teknologia Sailean lan egiten du. EMPA Suitzako Materialen Zientzia eta Teknologia Laborategi Federalak zuzendu du ikerketa.

Txikitasunaren ikertzaileak dira. Nanografenoarekin egindako iman kuantikoen kateak eraiki dituzte. Grafenoa karbono atomoz osatutako material bat da. Grafitoa eta diamanteak ere karbonoz osatuta daude. Grafenoa, baina, bi dimentsiokoa da, hau da, atomo bakarreko lodiera du. Elkarri lotutako hexagonoen egitura hartzen du, erlauntzek bezala. Grafenoak hainbat ezaugarri ditu: ezagunena da gogorra eta malgua dela aldi berean; baina grafenoak propietate elektroniko bereziak ere baditu —grafeno geruzen magnetismoa— eta horiek baliatzen ari dira ikerketetan.

Jacobek parte hartu duen ikerketan, grafenozko hirukiak sortu eta kateatu dituzte. Zehaztasun atomikoz lan egiten dute. Atomoz atomo sortutako egiturak dira.

Hirukien kateak

«Nanografenoak sortzeko, karbonoz osatutako molekula aitzindari batzuk jartzen dituzte metal baten gainean, kasu honetan urrearen gainean», azaldu du Jacobek. «Berotuta eta tenperatura kontrolatuta, urrearen gainean erreakzionatzen hasten dira, eta nanografenoak diseinatu daitezke, hau da, gutxi gorabehera zuzendu dezakezu nola osatu behar duten, zer forma hartu behar duten».

Ikerketa horretan, nanografenozko hirukiak sortu dituzte, baina ez hirukiak soilik, grafeno hirukien kateak baizik. Zergatik? Magnetismoa ezberdina delako egitura soiletan edo egituren kateetan.

Iritsi da spinari buruz hitz egiteko garaia. Elektroien oinarrizko propietateetako bat da, masaren eta kargaren moduan. Spina, ordea, propietate kuantiko bat da, magnetismoa eragiten duena. Elektroien imana dela esan daiteke.

«Mekanika kuantikoko elementu sakona da», Jacoben arabera. Hura ulertzea zailtzen du mundu makroskopioan haren pareko egiturarik ez egoteak. Batzuetan, spina Lurraren mugimenduen bidez azaltzen da: atomoa Eguzkia izango litzateke, eta elektroia, Lurra; elektroiak bi eremu edo une magnetiko sortuko lituzke, bata atomoari bueltak ematean, eta bestea bere buruak emandako biren bitartez. Ingelesezko to spin aditzak biratu esan nahi du. Eguzkiaren, Lurraren eta mugimenduen azalpenak spina ulertzen laguntzen du; spina irudikatzeko modu bat da, baina Jacobek dioen moduan, «analogia ez da zehatza».

Spinak balio jakin batzuk baino ezin ditu hartu: elektroiaren spina erdi batekoa denean, bi balio har ditzake (erdi positiboa eta erdi negatiboa); spina 1 denean, hiru (-1, 0 eta 1). Spina iparrorratz batekin alderatu ohi da. Iparrorratzek edozein norabide har dezakete, baina spinek ez. Spina erdi batekoa bada, bi norabide, gora edo behera; 1ekoa bada, berriz, hiru norabide.

Haldaneren teoria

Baina spinetan fenomeno berezi bat gertatzen da. Molekula magnetikoak aldatu egiten dira elkartzean eta elkarrekintzan hastean. Duncan Haldane fisikari ingelesak magnetismo kuantikoari buruzko teoria bat kaleratu zuen 1983an: Haldaneren arabera, spin bateko molekulen kateak sortuz gero, molekulen elkarrekintzak eragiten du molekulen magnetismoa kate guztian desagertzea, lehenengo eta azkenengo unitateetan izan ezik. Gainera, unitate horien spina erdi batekoa bihurtzen da, hau da, elektroi soil baten magnetismo kuantikoaren parekoa. Alegia, spina zatikatu egiten da. Haldaneri Fisikako Nobel saria eman zioten 2016an.

Jacobek parte hartu duen ikerketan Haldaneren teoria baieztatu ahal izan dute, tunel efektuko mikroskopioa erabiliz. «Zantzuak zeuden duela zenbait urte beste material batzuetan lortu zela, baina ez zegoen ziurtasunik», Jacoben arabera. «Ikerketa honetan ziurtatu da lehen aldiz. Alde horretatik ere garrantzitsua da».

Fenomeno bitxia da. «Partikulen soziologia» deitu die Joaquin Fernandez Rossierrek, ikerketan parte hartu duen Alacanteko Unibertsitateko fisikari batek: «Halako esperimentuek erakusten dute sistema baten propietateak eta hura egiteko erabilitako piezenak ezberdinak direla».

Hainbat ikertzailek parte hartu dute ikerketan: Suitzako EMPAk egin ditu esperimentuak; Alemaniako Dresdengo Unibertsitateak sortu ditu molekula magnetikoak, eta Herrialde Katalanetako Alacanteko Unibertsitatea eta Jacob arduratu dira lan teorikoaz.

Fisikari teorikoek bi eratara lan egin ohi dute: alde batetik, teoriak edo kalkuluak egiten dituzte, eta, gero, esperimentazio taldeen esku utzi teoria edo kalkulu horiek frogatzea; bestetik, esperimentazio taldeek ikerketetan aurkitutakoa edo ikusitakoa datuen bidez frogatzen dute. Jacob bigarren era horretan aritu da lanean ikerketan. Spin erdi bat metal bati elkartuta dagoenean, seinale bat igortzen du. Ikerketan, espektroskopiaren bidez, seinalean igoera bat ikusi dute nanoimanen ertzetan, eta Jacobek igoera horri oinarri teorikoa eman dio, kalkuluekin.

Paradigma ezberdina

Eta, ikerketaren funtsa azaldu eta gero, horrek zer-nolako ondorioak izan ditzake konputazio kuantikoan? IBMk, Googlek, Txinako Zientzia eta Teknologia Unibertsitateak eta beste zenbait enpresak badituzte prozesadore kuantikoak. Zer leku du halako oinarrizko ikerketa batek jada garatzen ari den eta erabiltzeko moduan dagoen teknologia batean? «Konputazio kuantikoan paradigma berri bat ezartzeko balio dezake», esan du Jacobek.

Gaur egungo konputazio kuantikoan, zirkuituetan oinarritutako konputazioa nagusitu da. «Funtsean, konputazio klasikoaren eredua kopiatzen du, eta mundu kuantikoan aplikatu», argitu du Jacobek. «Ordenagailu arruntetan oinarrizko informazio bitetan bilduta dago, 0ak eta 1ak. Konputazio kuantikoan qubitak ditugu, bit kuantikoak. 0ak eta 1ak spin elektronikoekin egin daitezke, spinak bi egoera baititu, gora edo behera».

Jacobek parte hartu duen ikerketako eredua bestelakoa da: neurketetan oinarritutako konputazio kuantikoa. Gaur egungo konputazio kuantikoan, qubit independente asko jarri behar dira harremanetan, elkarri lotzeko; neurketetan oinarritutakoan, ordea, qubitak, bit kuantikoak, hasieratik elkarri lotuta egongo lirateke: ez lirateke izango independenteak; hala, erraztu egingo litzateke ordenagailu kuantikoen funtzionamendua. «Paradigma berri bat da, eta bide alternatiboa izan daiteke ordenagailu kuantikoak egiteko». Baina, Jacobek esan duenez, «ez dakigu eredu hobea den edo ez». Paradigma berria hastapen fasean dago; IBMk, Googlek, Txinako Zientzia eta Teknologia Unibertsitateak eta beste zenbait enpresak hartutakoa, berriz, oso aurreratua.