Csonka Szabolcs és kutatócsoportja előző nyertes Lendület-pályázatuk segítségével nanoméretű áramköröket fejleszt és vizsgál. A korábban és most induló haladó kutatócsoportjuk célja, hogy új generációs áramköröket alkossanak, amelyek a jövő elektronikus eszközeinek alapját adhatják.

Csonka Szabolcs Fotó: bme.hu

„Mostani pályázatunk a szupravezető áramkörökre fókuszál. A szupravezetés kifejezetten egzotikus jelenségkör, hiszen ilyenkor egy vezető ellenállása nullává válik. A legtöbb anyag kizárólag nagyon alacsony, négy kelvin körüli hőmérsékleten válik szupravezetővé. Minthogy ez speciális hűtést igényel, sokan szkeptikusok a tekintetben, hogy a szupravezető áramköröknek milyen gyakorlati hasznuk lehet – mondja a kutatócsoport-vezető. – Nos, például a nagyon gyors szuperszámítógépek szupravezető áramkörökkel is működhetnének. Az IBM-nek már húsz évvel ezelőtt is voltak ilyen tervei. Így e komputerek sokkal gyorsabban (nagyobb órajellel) működhetnének, és kevesebb hőt is termelnének.”

A nagyobb kapacitásnak és a kevesebb hulladékhőnek köszönhetően a szupravezető szuperszámítógépek még a hűtés energiaigénye mellett is rentábilisan működhetnének. Annak ellenére, hogy az IBM-nél a szupravezető számítástechnika eljutott a technológiai szintre, a fejlesztők problémába ütköztek: nem tudták a számítógép központi egységét eléggé miniatürizálni ahhoz, hogy igazán nagy integrált számítógépet lehessen belőle építeni. A kudarc miatt a szupravezető elektronika fejlődése mellékvágányra került.

Pedig ennek nem kellene így lennie. A most induló második Lendület-csoport

új kutatási irányok feltérképezésével igyekszik életet lehelni a szupravezető elektronika kutatásába.

Egy új jelenséget vizsgálnak majd. Kiderült ugyanis, hogy ha nanoméretű szupravezető fémet készítenek, és hozzákötnek egy kapuelektródát, akkor a kapura kapcsolt feszültség segítségével ki-be lehet kapcsolni a fém szupravezetését. Ezt nagyon kis méretben is meg lehet valósítani, ezzel pedig létre lehet hozni a klasszikus elektronikában használt tranzisztorok szupravezető megfelelőjét.

„E jelenség olyannyira új, hogy jelenleg még az sincs tökéletesen tisztázva, hogy miért működhet. Ezért a Lendület-csoport egyik célja e jelenség megértése, illetve annak felderítése, hogyan lehet ennek alapján eszközöket készíteni – folytatja Csonka Szabolcs. – A kutatásaink másik iránya a kvantumszámítógépekkel kapcsolatos. Ma is vannak már egyszerű kvantumszámítógépek, amelyeken bárki végezhet számításokat a felhőn keresztül, de a következő évtizedekben megoldandó kihívás velük kapcsolatban, hogy olyan komplex eszközöket készítsünk belőlük, amelyek a tudományban és a mindennapokban is használhatók.”

A kvantumszámítógépek annak ígéretét hordozzák magukban, hogy nagyon bonyolult problémákat is nagyon egyszerűen megoldanak majd. Egy olyan – egyelőre még csak elméletben létező – kvantumszámítógép, amelyben mindössze száz kvantumbit (qubit) üzemel, a várakozások szerint rögtön komplexebb működésre lenne képes, mint a ma létező legnagyobb klasszikus szuperszámítógépek. Segítségével pedig például már bonyolult molekulák viselkedését is szimulálni lehetne. Csupán az a kérdés, hogy hogyan lehet ilyen megbízható és jól működő kvantumszámítógépeket építeni.

A jelenlegi kvantumszámítógépek leginkább a kvantumelv demonstrációjára jók, de Csonka Szabolcs szerint nem működnek igazán megbízhatóan: nagyon gyorsan elveszítik az információt. Hogyan lehetne olyan számítógép-architektúrát létrehozni – tette fel magának a kérdést a kutatócsoport-vezető –, amely képes elkerülni ezt az információvesztést? Itt kapcsolódnak össze a szupravezető áramkörök és a kvantumszámítógépek: felvethető, hogy úgynevezett topologikus szupravezető rendszerek segítségével megvalósítható a védett kvantuminformáció-tárolás. Az elmélet szerint a topológián alapuló információtárolás sokkal stabilabb és a külső zavarásnak sokkal ellenállóbb lenne. Ezért az utóbbi időben a legnagyobb techcégek kezdték támogatni a fizikalaborok topologikusan védett áramköri rendszerekkel foglalkozó kutatásait.

A kutatócsoport száz nanométer alatti mérettartományba tartozó áramköri egységeket épít és vizsgál

(a nanométer a milliméter egymilliomod része). A klasszikus chipekben üzemelő tranzisztorok mérettartománya hasonló: nagyjából húsz nanométeresek. A kutatócsoportnak az Energiatudományi Kutatókozpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében (MTA Kiváló Kutatóhely) rendelkezésére áll elektronsugaras litográfián és UHV-rétegleválasztáson alapuló korszerű infrastruktúra, amelynek segítségével gyakorlatilag ugyanolyan áramköröket tudnak létrehozni, mint a nagy chipgyártók kutatói. De ezek egyedi, kísérleti célú chipek, nem kereskedelmi termékek részegységei lesznek – egyelőre.

„Az előző Lendület-kutatásunk talán legnagyobb eredményének azt tartom, hogy

képesek lettünk kifejezetten komoly infrastruktúrát igyénylő kutatásokat is megvalósítani

– érvel Csonka Szabolcs. – Mi tervezzük, építjük és vizsgáljuk a chipeket, és ehhez a legmodernebb eszközpark áll rendelkezésre itt, Budapesten.”

Ezt használják majd a kvantumszámítógépek topologikus információvédelmének kutatásához is. Bár a legnagyobb cégek is részt vesznek e probléma kutatásában, a siker mindeddig elmaradt. Emiatt felmerült egy az eddigi megközelítéstől különböző elméleti elképzelés, amely szerint mesterséges atomokat kell készíteni, majd ezeket szupravezetőkkel kell összekötni. Az így létrehozott atomláncok (vagyis molekulák) aztán az eddigieknél talán jobban használhatók lesznek a topologikus információtárolás gyakorlati megvalósításában.

Csonka Szabolcsnak és munkatársainak sikerült 2021-ben először kísérletesen is bizonyítaniuk, hogy lehetséges két atomból szupravezető kötés segítségével mesterséges molekulát létrehozni.

Azóta több más kutatás eredményei is megjelentek a témában, és egyre valószínűbb, hogy e mesterséges molekulák olyan topologikus tulajdonságokkal bírnak, amelyek alkalmassá tehetik őket a kvantum-számítástechnikai alkalmazásra.